KŐZETCSAVAROK ERŐJÁTÉKÁNAK MEGHATÁROZÁSA A BIZTOSÍTÁS TERVEZÉSÉHEZ ÉS ELLENŐRZÉSÉHEZ SOMOSVÁRI ZS. - NÉMETH A.

NME Közleményei, Miskolc, I. Sorozat, Bányászat, 34(1986) kötet, 1-4. füzet, 205-228. KŐZETCSAVAROK ERŐJÁTÉKÁNAK MEGHATÁROZÁSA A BIZTOSÍTÁS TERVEZÉSÉHEZ ÉS ELLENŐRZÉSÉHEZ SOMOSVÁRI ZS. - NÉMETH A. összefoglalás: A tanulmány foglalkozik a kőzetcsavarozás tervezésének legalapvetőbb kérdéseivel. Levezeti folyamatosan rögzített súrlódásos és műgyantával ragasztott kőzethorgonyok erőjátékát próbaterhelés esetén. A levezetett eredményeket mészkőtestbe ragasztott csőhorgonyon végzett laboratóriumi mérésekkel ellenőrzi. A számított és mért eredmények jó egyezése alapján foglalkozik a kőzetcsavarok erőjátékával természeti körülmények között. Meghatározza pontrögzítésű és folyamatos rögzítésű kőzetcsavarok célszerű alkalmazásának körülményeit. Az üregbiztosítások klasszikus, az üregfelületet kívülről támasztó szerkezetei mellett helyet követelt magának a gyakorlatban egy olyan megoldás, amellyel a biztosítóelemeket a kőzetbe fúrt lyukakba erősítik és így érnek el biztosító hatást. Ezt a biztosítási módot kőzethorgonyzásnak, ill. kőzetcsavarozásnak nevezték el. A kőzetcsavaros biztosítás aztán különösen a II. világháború után nemcsak a szénbányászatban, hanem az alagútépítésben, mélyépítésben és különböző földművek rézsűinek védelmére széles körben elterjedt. Az 1940-es évektől kezdődően előbb az USA-ban az érc- és szénbányászatban egyaránt, majd Franciaországban az ércbányászatban alkalmazták tömegesen a mechanikus DR. SOMOSVÁRI ZSOLT oki. bányamérnök a műszaki tudomány kandidátusa NÉMETH ALAJOS oki. bányamérnök egyetemi adjunktus A kézirat beérkezett: 1986. fan. 8. Nehézipari Műszaki Egyetem Bányaműveléstani Tanszék 3515. Miskole-Egyetemváros 205

pontrögzítésű kőzetcsavarokat. Ezután alkalmazták a folyamatosan tögzített kőzetcsavarokat, előbb cementhabarcsos, majd műgyanta ragasztással. A nagyszilárdságú, gyorskötésű, gyorsan szilárduló, de drága műgyanták megjelenésével a pontrögzítésű műgyantával ragasztott kőzetcsavarok kezdtek inkább elterjedni Franciaországban, majd a kőzetcsavarozás a szénbányászatban is széles körben elterjedt nemcsak vágatokban, hanem fejtésekben is. Hazánkban az 1950-es évek végétől kezdődően üzemi kísérletek, elméleti és laboratóriumi kőzetcsavar vizsgálatok indultak a szén- és ércbányászatban egyaránt. Ennek ellenére a magyar szénbányászatban a kőzetcsavaros biztosítást jó néhány üzemi kísérlet ellenére önálló biztosításként tömegesen nem, csak kombinált biztosítás részeként alkalmazzák, önálló biztosításként csak az ércbányászat, főleg a mecseki ércbányászat alkalmazza tömegesen a kőzetcsavarozást. A kőzetcsavaros biztosítás nagyobb mértékű hazai elterjedésének alapvető korlátozó hatásait az alábbiak szerint lehet röviden összefoglalni: Hazánkban eddig nem sikerült megoldani a kőzetcsavarok beépítésének gépesítését még részben sem, ezért ez a biztosítás általában drágább, mint a hagyományos biztosítások. Külföldi tapasztalatok szerint egyedi beépítésnél a kőzetcsavaros biztosítás beépítési költségei (lyukfúrás, rögzítés stb...) általában nagyobbak a hagyományos biztosítás beépítési költségeinél, ezért a szerkezet olcsóbb volta ellenére végeredményben drágább a kőzetcsavaros biztosítás a hagyományosnál. A kőzetcsavaros biztosítás gépesítésével azonban megfordul ez a helyzet. Hazánkban még maga a tömeges lyukfúrás is sokszor nehézségeket okoz, amely eleve akadálya a kőzetcsavarozás elterjedésének. A MÉV üzemeiben, ahol a kőzetcsavarok beépítésének gépesítését részben megoldották (gépi előtolású fúrás), lényegesen olcsóbb a kőzetcsavarozás, mint a TH-biztosítás. A kőzetcsavarozás műszaki és gazdasági előnyei a hagyományos biztosítószerkezetekkel szemben elsősorban a nagyszelvényű bányavágatokban dominálóak. Hazánkban még kevésbé terjedtek el azok a technikák (pl. LHD), amelyek nagyszelvényű vágatokat kívánnak, így a vágatok általában kisebb szelvényűek, biztosításuk a hagyományos módon is megoldható. A kőzetcsavaros üregbiztosítás beépítése nagyobb technológiai fegyelmet kíván, mint a hagyományos biztosítások beépítése. A beépítés, jósága" vizuálisan nem, csak műszeres mérésekkel ellenőrizhető és az ellenőrzés nem maradhat el. Az üzemek ezért a sikeres kőzetcsavarkísérletek ellenére is idegenkednek e megoldás bevezetésétől. Az elvégzett kőzetcsavar kísérletek nem voltak mindig körültekintően megtervezettek, ezért sikertelen kísérletek is szép számmal születtek, amelyek nyilvánvalóan nem segítették elő az alkalmazás elterjesztését. A sikeres kísérletek pedig nem kaptak mindig publicitást. Tehát nem a kőzetcsavaros biztosítás, mint műszaki megoldás elégtelensége miatt nem terjedhetett el eléggé hazánkban ez a biztosítási mód, hanem a fentebb vázolt okok miatt. A másik oldalról viszont tudomásul kell venni azt, hogy a kőzetcsavarozás nem egy generális biztosítási mód, hanem csak ott alkalmazható önállóan sikerrel, ahol a biztosí- 206

tásigény (kn/m 2 ) nem túl nagy. Tekintettel arra, hogy egy-egy kőzet csavartól 50 100 kn nagyságú kőzetfelületi biztosításreakciót várhatunk el, továbbá a beépítés sűrűsége gazdaságosan nem lehet nagyobb 1,5 db/m 2 -nél, ezért a maximálisan kifejthető kőzetfelületi biztosításreakció mintegy 75-150 kn/m 2 = 0,075-0,150 MPa. Ennél nagyobb kívánalomnál a kőzetcsavaros biztosítás önálló biztosításként nem alkalmazható. A kőzetcsavaros biztosítás tehát elsősorban ott jön számításba, ahol a kőzetkörnyezet üregnyitás után a biztosítás hatására rugalmas állapotban marad, vagy biztosítás nélkül is rugalmas állapotú, csak önmagában nem kellő biztonsággal. A hazai szénbányászat gyengébb szilárdságú és változatos de korántsem különleges kőzetkörülményei kétségtelenül szűkebb teret engednek a kőzetcsavarozásnak, de a mai alkalmazásnál feltétlenül nagyobbak a lehetőségek. 1. A kőzetcsavarozás tervezésének alapvető kérdései Adott üregnél, adott kőzetkörülmények mellett először mindig az a kérdés vetődik fel, hogy a sokféle kőzetcsavar közül milyen típusú kőzetcsavart célszerű alkalmazni. Mechanikai viselkedés szerint az alábbi kőzetcsavar típusokat különböztetik meg: pontrögzítésű kőzetcsavarok, folyamatos rögzítésű kőzetcsavarok, kombinált rögzítésű kőzetcsavarok. Ezen típusok közül lehet a tervezéseknél választani. A pontrögzítésű kőzetcsavarok eredeti fajtái az ún. mechanikus csavarok, mint a feszítőékes, feszítőhüvelyes, gumihüvelyes kőzetcsavarok. Ma a pontragasztott kőzetcsavarokat kell a pontrögzítésű kőzetcsavarok közül a legfontosabbnak tekinteni. A ragasztás műgyantával vagy cementhabarcs csal történhet. A folyamatosan rögzített kőzetcsavarok eredeti fajtája a cementhabarccsal ragasztott kőzetcsavar, amelyet a műgyantával végig ragasztott kőzetcsavarok máig sem szorítottak ki. A folyamatosan rögzített kőzetcsavarok másik csoportjába a legújabb kőzetcsavarok, a Split-Set (hasított cső) és a Swellex (zömített cső) tartoznak, amelyeket súrlódásos kőzetcsavaroknak nevezhetünk. A kombinált kőzetcsavarok a pontrögzítésű és folyamatos rögzítésű kőzetcsavarok előnyös tulajdonságait egyesítik. Ilyen horgony pl. a Kiruna-horony, amelyet ékes fejrögzítés után cementhabarccsal végig ragasztanak, vagy az ún. exploziós horgony, amelynél a csőhorgony végét egy kis töltet elrobbantásával rögzítik, majd cementhabarccsal végigragasztják a horgonyt. Az alapvető biztosítószerkezeti tulajdonságok, aktivitás passzivitás, engedékenység merevség tekintetében különböznek egymástól a kőzetcsavarok. Aktív megtámasztást a pontrögzítésű és egyes kombinált rögzítésű kőzetcsavarok adnak, a folyamatosan rögzített kőzetcsavarok szigorúan véve passzív működésűek. Itt meg kell jegyeznünk, hogy ezeknek a kőzet csavaroknak a passzivitása korántsem olyan mértékű, mint a klasszikusan paszszív (pl. TH) biztosítószerkezeteké. A kőzetcsavaros biztosításnál szerves kapcsolatban van a biztosítás a kőzettel, itt a legteljesebb az együttdolgozás. A folyamatosan rögzített kőzetcsavarok a legkisebb kőzetexpanzióra aktivizálódnak éppen a szükséges mértékig. 207

Ezért a folyamatos rögzítésű kőzetcsavarokat kvázi-aktív biztosítószerkezetnek tekinthetjük. Engedékeny működésűek a folyamatosan rögzített súrlódásos kőzetcsavarok és egyes kombinált rögzítésű kőzet csavarok. A pontrögzítésű, a folyamatosan ragasztott és egyes kombinált rögzítésű kőzetcsavarok merev biztosítószerkezetek. Ahhoz, hogy a kőzetcsavarozás tervezésénél kiválaszthassuk az adott célra leginkább megfelelő kőzetcsavart az előbbieken kívül az egyes kőzetcsavartípusok erőjátékát kell ismernünk. 2. Folyamatosan rögzített súrlódásos kőzethorgonyok erőjátéka próbaterhelésnél A horgony kőzetfelületből kiálló végének húzóerővel való terhelésekor a horgony x helyen lévő keresztmetszeteiben (x = 0 hely a kőzetfelület) húzóerők ébrednek. Ezek a húzóerők a horgony szár rugalmas állapotának feltételezésével: P(x)=AE a eo)<pomax ahol: A - a horgony keresztmetszete, E a a horgony acélanyagának rugalmassági modulusa, e(x) - a horgony megnyúlása az x helyen. A horgonyban ébredő P(x) húzóerő az alábbiak szerint is kifejezhető: P(x) = í\x = 0) - f s(x)dx < P 0i ahol s(x) a horgony és a kőzet között ébredő egységnyi hosszra jutó súrlódóerő [s(x) = ds(x)ldx, kn/m]. A két egyenlet összevetéséből és differenciálásából de(x) dp(x) s(x) = -AE a < s max, s(x) = <s max. dx dx Abban az esetben, ha olyan húzóerőt működtetünk a csavarvégen, amely kihúzza a lyukból a kőzetcsavart, akkor egészen biztos, hogy végig igénybevételt szenved a kőzethorgony, a horgony mentén a fajlagos súrlódóerő a lehető legnagyobb és nem változik, azaz ilyenkor s \ x ), dx s max r L P(x)=P 0i jl 208

, v Pomax, (\x) = 1 AE a { L Amikor még P 0 nem éri el Po max értékét, azaz a kőzethorgony nem húzódik ki a fúrólyukból, akkor az erők megoszlása nem ilyen, de ha P 0 megközelíti Po max értékét, akkor jó közelítéssel számolhatunk a fenti erőeloszlással, azaz 1-y s{x) = -~, Po^Po, Abban az esetben viszont, ha P 0 < Po max > akkor egészen mások a viszonyok, hiszen a kőzethorgony igénybevétele nem is terjed ki a horgony egész hosszáig, hanem csak x 0 <L helyig. Kis húzóerőknél (P 0 -^ Po max) feltételezhetjük, hogy Másrészről ds(x) = C = const, Qm -1 ]. dp(*) <x) =. ax A két differenciálegyenlet összevetéséből ds{x) dx = Cs(x) ; s(x) = s 0 exp ( - Cx). azaz a fajlagos aktivizálódott súrlódóerő a horgonyszár mentén exponenciálisan csökken. A horgonyban ébredő erő: P(;c)=Po ^-[l-exp(-cx)] x = -nél P = 0 kell legyen, így C = s 0 /P 0. Ezzel P(x) =P 0 exp --p-x S(A:) = s 0 exp So Po x 209

e(x) = exp JC AE a y \ P 0 Az s 0 paraméter meghatározása érdekében képezzük a de{x) dx So AE a exp s 0 de(x) dx JC = 0 s AE n függvényeket. Innen s 0 = AE a de{x) dx x = 0 Az x = 0 helyen kialakuló megnyúlás változás független a P 0 húzóerőtől, ezért különböző Po "^ Pomax húzóerők alkalmazásakor s 0 = const, értékkel számolhatunk. A kőzetcsavarzár a kőzetfelülettől befelé haladva addig tekinthető aktivizálódottnak, ameddig megnyúlás jön létre benne, ill. ameddig súrlódóerő aktivizálódik a hossz mentén. Ha s = 0,05 s 0 fajlagos súrlódóerőtmár elhanyagolhatónak tekintjük akkor az aktivizálódott csavarhossz XQ = 3 So <L. Po = SQL azt a húzóerőt adja, amely működtetésénél az aktivizálódott csavarhossz éppen a kőzetcsavar beépített hosszával egyezik meg. Fenti számításunk P 0 < P' 0 húzóerők esetén érvényesek. Tekintettel arra, hogy a kőzetcsavar végén x = L helyen e = 0, P = 0, ezért Pönal nagyobb P 0 húzóerő létesítésekor a kőzetfelület közelében a 0 < x < JC intervallumban s(x) = s 0 = const, melletti viszonyok alakulnak ki, és a jelzett intervallumban nem érvényesül ds/dp = s 0 = const, kapcsolat. Ebben az intervallumban határigénybevétel éri a súrlódásos kapcsolatot és ezért P(x) lineárisan csökken. Az x távolság abból a feltételből határozható meg, hogy az állandó fajlagos súrlódóerő és a változó fajlagos súrlódóerő melletti kőzetcsavar szakaszok összege a horgonyhosszal egyenlő és x = L helyen P = 0. így 3P(x) [ Pomax - x L, másrészről P(x) =PQ\1 x LPo Ezért x = L 3Po ~>POma s 0 L -1-1 210

Amikor P 0 = Pomax> akkor x =La kőzetcsavar kicsúszik a fúrólyukból.p 0 <PÓműködtetésekor tehát a 0 < x < x intervallumban s(x) = s 0 = const., P(x) =P 0 11 = x LPQ az x < x < L intervallumban í Po - 1 s(x) = s 0 exp I (x x) I L So J 3Po _ i > W=/, omax o 1 - s 0 2/> ( omax -1 S 0 exp I (x x) I Az x = x helyen a csavarerőt leíró görbén akkor nincs törés, akkor folyamatos a görbe, ha Omax S 0 = - Ezt a feltételt elfogadhatjuk s 0 meghatározására, annál is inkább, mivel így So kísérlettel is viszonylag könnyen meghatározható. Ezzel 2 ^ Pomax ' így a 0< x <xintervallumbanp(x) =P 0 s 0 x, azx<x<l intervallumban i>(x) = 0,5(/»omax ~^o) exp - ["íh Ezek után végigkövethető, hogy egy súrlódásos horgony kíréleti terhelése közben hogyan alakul a csavarerő, megnyúlás és fajlagos súrlódóerő. L = 2m hosszú súrlódásos kőzethorgony alapul vételével /omax = 80 kn kihúzódást okozó húzóerő mellett az erőviszonyok a kőzethorgonynál az 1. ábra szerint alakulnak. Az ábra mutatja, hogy kis húzóerők alkalmazásakor {PQ = 10 20 kn) a horgonyszár nincs teljes hosszában igénybe véve, a csavarerő és a fajlagos súrlódóerő a csavarszár mentén exponenciálisan, egyre lassabban csökken. Nagyobb húzóerők alkalmazásakor (P 0 = 30 40 50 kn) a kőzetcsavar első szakaszán a súrlódásos kapcsolat szempontjából határigénybevétel lép fel, a fajlagos súrlódóerő állandó, a csavarerő lineárisan csökken. A kőzetcsavar hátsó szakaszán még nincs a súrlódásos kapcsolat szempontjából határigénybevégetel. Itt a fajlagos súrlódóerő exponenciálisan és lassabban csökken. Még nagyobb húzóé rőkalkalmazásakor (P 0 = 60-70 kn), csaknem a kőzetcsavar teljes hosszán határigénybevétel lép fel a súrlódásos kapcsolat szempontjából. MigP = 0 A>max = 211

to P[kN] x[m] 0,2 QU Q6 0,8 1.0 1,2 U tt 13 1. ábra. Folyamatosan rögzített súrlódásos kőzethorgony erőjátéka próbaterhelésnél 2J0 x [mj

= 80 kn húzóerő alkalmazásakor a kőzetcsavar teljes hossza mentén határigénybevétel lép fel a súrlódásos kapcsolat szempontjából, a kőzetcsavar kihúzódik a fúrólyukból. Az 1. ábra mutatja, hogy a határigénybevételt megközelítő terhelésnél a kőzetcsavarerő a P{x)=P Q \l-~ összefüggéssel csak akkor közelíthető jól, ha 0,9 <P 0 </omax- Az ábra egyben a e(x) diagramot is adja tekintettel az e(x) = P(x)jAE a kapcsolatra. Hosszú kó'zethorgonyok esetében a terhelő húzóerő növekedésével a kőzethorgony elején előbb bekövetkezhet a súrlódás szempontjábóli hatáigénybevétel, minthogy a kőzetcsavar egész hosszában aktivizálódna. Ilyenkor a csavarerők eloszlásának 1. ábrán vázolt képe csak annyit változik, hogy a csavarerők lefutásának lineáris tartományai megnövekednek. 3. Műgyanta ragasztóval folyamatosan rögzített horgonyok erőjátéka próbaterhelésnél A műanyag ragasztóval folyamatosan rögzített kőzethorgonyok erőjátéka teljesen analóg tárgyalható a súrlódásos végigrögzített kőzethorgonyok erőjátékával, hiszen a kőzetcsavar szárát csak 2 3 mm vastag műanyag ragasztó hártya választja el a fúrólyuk falától, így a csavarszár alakváltozása teljes mértékben átadódik: a ragasztóhártyának, a ragasztóhártya pedig tapadás, adhézió révén rögzíti a csavarszárat. A fajlagos súrlódó erő helyett itt fajlagos tapadó erővel kell számolni. A horgony végének húzóerővel való terhelésekor: P(x)=AEa e(x)iü. P(x) =P 0 - J" t(x)dx<p 0l X dp(x) t(x) = - < r max dx ahol t{x) a fúrólyuk fala és a ragasztás között ébredő fejlagos szárirányú tapadóerő. Továbbá feltételezzük a dt(x) = C = const. kapcsolat. így dt(x) dx = Ct(x), t(x) = t 0 exp ( Cx) 213

Ezzel P(x) =Po- [1 ~ exp (- Cx)] x = -nél P = 0, ezért C = í 0 \P 0. így P{x) = PQ exp ío f(x) = í 0 exp - x\, e(x) = exp - x P 0 I Aß a l "o = P(x) Továbbá de(x) í 0 f f 0 I de(x) = exp x, dx AE a \ Po ) dx tp x=0 AE a Innen í 0 =~AE a de(x) dx ill. ío = - P(x) e(x) de(x) dx x = 0 - const. Az átlagos aktivizálódott fajlagos tapadás (í) és í 0 értéke között az alábbi összefüggés áll fenn: 1 X fp = J' t(x) x 0 J - Po í = xo exp dx ío, I A) ^omax jc 0-1 1= = Po ) -I xo L ahol x 0 az aktivizálódott csavarhosszat jelöli. í = 0,05 í 0 érték elhanyagolásánál Xo =3 "omax ío ezzel í = ill. í 0 = 3í = 3 L A Pomax terhelési kísérlettel meghatározható, így f 0 értékét kísérletek eredményeiből kapjuk. A fentiek igazolása, ül. ellenőrzése érdekében laboratóriumi kísérleteket végeztünk el a Bányamuvelsétani Tanszék kőzetmechanikai laboratóriumában. Az első kísérlet célja az volt, hogy próbaterhelés közben megmérjük a kőzetcsavarszár megnyúlását ill. meghatározzuk különböző Po terheléseknél a e(x) függvényt. Ennek érdekében méretezés alapján 214

d = 43 mm külső átmérőjű, v = 2 mm falvastagságú. A =25,5 cm 2 keresztmetszetű acélcsövet ragasztottunk mészkőtömbbe fúrt 45 mm átmérőjű, 200 mm hosszú fúrólyukba. Az acélcsövet anyagminőségének pontos megállapítására előbb szakítóviszgálatnak vetettük alá. Az anyag folyáshatára o a f = 583 MPa-nak adódott. A ragasztást kétkomponensű epoxi műgyantával végeztük. Előzetesen elvégzett 56 db ragasztási kísérletünk eredményei szerint ez a műgyantat max = 7,2-8,8 MPa maximális átlagos tapadást tud produkálni laboratóriumi körülmények között. A beragasztott acélcső belsejébe tengelyirányban egymással szemben 4 4 helyen összesen 8 db KYOWA gyártmányú nyúlásmérőbélyeget ragasztottunk fel. A nyúlásmérőbélyeg-párok a 2. ábra szerint 50 mm-re helyezkednek el egymástól. A nyúlásmérőbélyegek elektromos jelét Hottinger Baldwin gyártmányú automata mérohíd segítségével mértük. A 200 mm hosszon beragasztott kőzetcsavar 1 2 3 4 mérési helyein a terhelésalakváltozás görbék a 3. ábra szerint alakultak. Az ábra alapján megrajzolhatók különböző terheléseknél az e(x) görbék, amelyeket a 4. ábrán látunk. Az ábra mutatja, hogy a görbék kezdeti érintői egymással párhuzamosak, azaz de(x) = const. dx x=0 Az ábráról leolvasható, hogy ennek a constansnak az értéke 0,0131 m" 1.Továbbá AE a = = Pole 0 =(135-174) 10 3 kn, így t 0 = 2000 kn/m = 2 kn/mm. A számított megnyúlások: e(x) = exp 140 * 10 3 A x[mm] P 0 [kn] A számított megnyúlásokat az 5. ábrán látjuk. Az ábra képe csaknem tökéletesen megegyezik a 4. ábra képével. Ez azt jelenti, hogy feltevéseink helyesek voltak és a levezetett összefüggések alkalmasak az erőjáték leírására. A kísérletből meghatározhatjuk az aktivizálódott legnagyobb átlagos tapadás értékét is. 130 kn alkalmazott húzóerőmaximum és 0,028 m 2 ragasztott kőzetfelület figyelembevételével T = 4, 6 MPa-ra adódik. Tekintettel arra, hogy a 4. ábra diagramja azt mutatja, hogy még P 0 = 130 kn terhelésnél sem kezdődik meg a ragasztás, vagy a kőzet tönkremenetele, ezért ragasztásra jellemző r max > 4,6 MPa. A t 0 = 2 kn/mm = 2 MN/m, x = 0 helyen aktivizálódott fajlagos tapadáshoz tartozó r 0 tapadási érték 0,141 m ragasztott kőzetkerület figyelembevételével 14,2 MPa-ra adódna. A kőzethorgony próbaterhelésénél azonban a fúrólyuk szájának (x = 0 hely) közelében a kőzetnek is módja van deformálódni, követni a ragasztó deformációját, így itt feltétlenül kisebb az aktivizálódott tapadás a számítottnál. Az a maximális terhelőerő, amely a ragasztás adhéziójának megszűnését idézi elő, Pomax =140 kn-ra tehető. Ezzel és L = 200 mm ragasztási hossz figyelembevételével a 215

216 2. ábra. Ragasztott csőhorgony és mérőbélyegek mészkőtömbben laboratóriumi kísérletnél

to 1 > -J 0,1 Q2 Q3 Q4 Q5 0,6 0,7 3. ábra. Próbaterhelés mért terhelés-alakváltozás görbéi a mérőbélyegek helyein 0.8 0.9 í [%oj

h ' 00 0 50 x [mm] 100 150 200 (T) mérőbélyeg sorszáma 4. ábra. A mért terhelés-alaváltozás görbék alapján meghatározott alakváltozás lefutás a ragasztott csőhorgonyban

! mérőbélyeg 200 xcrnmj sorszáma to > * 5. ábra. Számított alakváltozás lefutása a esohorgonyban

t 0 =3Po max /L képletből r 0 2,1 kn/mm-re adódik. Ez az eredmény a mérési eredményekhez képest mindössze 5%-os eltérést mutat. Egy másik hasonló kísérlettel arról kívántunk meggyőződni, hogy egy kőzeteiválási felület hogyan befolyásolja a deformáció, ill. erőeloszlást. Ennek érdekében a kísérletnél felhasznált mészkőtömböt a fúrólyukra merőleges síkban kettévágtunk és az elválási felülettel rendelkező mészkőtömbbe ragasztottuk be az előbbi kísérlethez hasonlóan az acélcsövet, összesen 8 db nyúlásmérő bélyeggel a 6. ábra szerinti elrendezésben. Itt rosszabb minőségű ragasztást produkáltunk annak érdekében, hogy a ragasztás tönkremenetelének kezdetét is ki tudjuk mutatni. A 200 mm hosszon beragasztott kőzetcsavar 1 2-3 4 mérési helyein a terhelés-alakváltozás görbék a 7. ábra szerint alakultak. Ezen ábra alapján megrajzolt e(x) görbéket a 8. ábra mutatja. Látható, hogy az elválási felület mentén ugrás van a kőzethorgony megnyúlásában, az elválási felület két szakaszra osztja a deformáció-eloszlást. A P 0 = 20, 40, 60, 80 kn húzóerőhöz tartozó e(x) görbék kezdeti érintői egymással párhuzamosak [de(x)ldx]o =sx = 0,0078. Ez az érték csak 60%-a az előbbi kísérletnél kapott értéknek, a megnyúlás és a csavarerő tehát x növekedésével lassabban csökken, azaz kisebb fajlagos tapadó erő aktivizálódik az I. szakaszon. Ennek oka egyrészt az elválási felület jelenléte, amely ugrást enged meg a kőzetcsavar megnyúlásában, másrészt a rosszabb ragasztás. A JPO = 100 kn terhelésnél lényegesen kisebb az e(x) görbe kezdeti érintőjének irányszöge és a megnyúlás csökkenése már lineárisnak tekinthető. Ez annak a jele, hogy ennél a terhelésnél a ragasztó a kőzetfelületen elkezd tönkremenni és az adhéziós kapcsolat helyett súrlódásos kapcsolat érvényesül. Ezért ebben az esetben ilyen terhelésnél már nem érvényes a dt{x)\dp{x) = C kapcsolat. A ragasztás tönkremenetele az I. szakaszon P 0 = 100 kn terhelésnél azért következik be, mert az elválási felület kettéosztja a ragasztott felületet és az első szakaszon 50% erőt kellene felvennie a ragasztásnak, miközben a ragasztott felület 38%-ra csökken. így az II. szakasz túlterhelése 1,32-szeres az elválási felület nélküli esethez képest. Ehhez jön még, hogy a ragasztás minősége ennél a kísérletnél rosszabb mint az előzőnél. A kőzetcsavar P 0 = 100 kn terhelésnél még nem húzódik ki annak ellenére, hogy az I. szakaszon már csak súrlódásos kapcsolat érvényesül a ragasztó és kőzet között. Ezen a szakaszon csak 26 kn-t csökken a csavarerő, a ragasztás ennyi erőt vesz fel. Az elválási felület után a II szakasz elején 50 kn erő ébred a kőzetcsavarban, amelyet a ragasztás ezen a szakaszon felvesz. Az elválási felületnél 24 kn-t csökken a kőzetcsavarerő, mert a az elválási felületen a kőzetfelületek közeledésére van szükség. A végén megterhelt kőzetcsavar a két kőzettömböt egymáshoz húzza. Az elvégzett laboratóriumi kísérletek eredményei igen jól alátámasztják a levezetett összefüggéseket. Az elvégzett vizsgálatok alkalmasak arra is, hogy segítségükkel természeti körülmények között tárgyaljuk a kőzetcsavarok erőjátékát. 4. Kőzetcsavarok erőjátéka természeti körülmények között A pontrögzítésű (pontragasztott) kőzetcsavarok erőjátéka természeti körülmények között is hasonlóan alakul mint próbaterhelés alkalmával. Ezért nem foglalkoztunk külön 220

6. ábra. Ragasztott csőhorgony és mérőbélyegek elválási felülettel rendelkező mészkőtömbben laboratóriumi kísérletnél

to to to [kn] inn - rp> (o\ ft ST\ fln - 60-40 - 20 - r i i 0 H 0 1 0,2 0 3 0 k 0,5 0,6 Q 7 0,8 0,9 6 [% ] 7. ű'ftra. Próbaterhelés mért terhelés-alakváltozás görbéi a mérőbélyegek helyein

I. szakasz II. szakasz 26kN %, 24kN 50kN 200 x [mm] merobelyegek sorszama to - 8. ábra. A mért terhelés-alakváltozás görbék alapján meghatározott alakváltozás lefutás a ragasztott esohorgonyban

^tf á r^4t%% #^ÉMf t s o ö Rí :* v 8 5 SDJ9Z OJdJOAOSD fzz&zzzzzzz^zzzazzzz f>///77//^///f>///77/// 77;lh, v^x//yyx/y//-aiw##/«^r///x/////////////«#//#/////// 0 c SJ *5 11 :0,X»3 a> 0) v\, *<u >1) >,Í.J >> " * C <-. SP <A V s S3 o > E a o tu is N *o u_ ü, 224

a 225

a pontrögzítésű kőzetcsavarok erőjátékával próbaterhelésnél. A pontragasztott kőzetcsavar beépített hossza ragasztott (/ r ) hosszból és szabad szárhosszból (/ 0 ) áll. Beépítés és előfeszítés után, majd csavarszárirányú kőzetexpanzió hatására a szabad szárhossz mentén a csavarszár megnyúlásával (e a ) arányos, állandó nagyságú P = E a e a = P e + AP húzóerő ébred, ahol P e az előfeszítés hatására, AP az expanzió hatására ébredő erő. Ha a kőzetexpanzió hatására A/ mértékű az A keresztmetszetű kőzetcsavar szár megnyúlása, a kőzetfelület szárirányú elmozdulása, akkor A/ AP = E a A k Adott A/ elmozdulásnál minél nagyobb a szabad szárhossz (/ 0 ) annál kisebb mértékű az elmozdulás miatti aktivizálódás. Ha az / 0 hosszon belül heterogén kőzetrétegek helyezkednek el, akkor a puhább rétegek összenyomódásának rovására is bekövetkezik rétegszétválás, amelyre a kőzetcsavar nem aktivizálódik. Tehát olyan esetben, amikor hoszszabb kőzetcsavarokra van szükség, vagy heterogén felépítésű az áttűzött rétegsor, a pontrögzítésű kőzetcsavarok rétegelválásnál kevésbé aktivizálódnak. A szóban forgó erők és megnyúlások próbaterheléssel reprodukálhatók, ezért a pontrögzítésű kőzetcsavarok próbaterhelésnél kapott eredmények az,,in situ" viszonyokat jellemzik. Nem így van ez folyamatosan rögzített kőzetcsavarok esetében. A folyamatosan rögzített (ragasztott vagy súrlódásos) kozetcsavarok beépítéskor nem vesznek magukra terhelést csak az alátétlemezzel ellátott csavarvég feszül meg rövid szakaszon. Ezt mutatja a 9. ábra. A folyamatosan rögzített kőzetcsavar a kőzetkörnyezet csavarszár irányú expanziójának hatására aktivizálódik. A kőzetexpanzió az elválási felületek távolodásával megy végbe, az elválási felületeknél a csavarszár Ali APi = - E a A mértékben aktivizálódik és éppen ott, ahol erre szükség van. Minél több a szétnyíló elválási felület, annál inkább kihasználttá válik a csavarszár. Ezt látjuk a 10. ábrán. Folyamatos rögzítésű kőzetcsavaroknál is célszerű l r rögzítési hosszat és / 0 szárhosszat megkülönböztetni. Ugyanis akkor akadályozza a folyamatos rögzítésű kőzetcsavar a kőzetexpanziót a legintenzívebben, ha az l r rögzítési hossz olyan helyen van, ahol már rétegelválás nincs. Az aktivizálódás mértéke folyamatosan rögzített kőzetcsavarnál lényegesen nagyobb, mint pontrögzítésű kőzetcsavarok esetében, mert A/ 0 < l 0. A folyamatos rögzítésű kőzetcsavarok tehát heterogén kőzetkörnyezetben aktivizálódnak jobban, a kőzetcsavar hossza nem korlátja az aktivizálódásnak. 5. Megállapítások A fentiekből következik, hogy heterogén kőzetkörnyezetben a folyamatos rögzítésű (ragasztott és súrlódásos), homogén kőzetkörnyezetben kisebb kőzetcsavarhosszúságok- 226

nál a pontrögzítésű (pontragasztott) kőzetcsavarok használhatók előnyösebben. Homogén kőzetkörnyezetben, de nagyobb hosszúságigényű kőzetcsavarozásnál megint csak a folyamatos rögzítésű kőzetcsavarok alkalmazását kell előtérbe helyeznünk. Folyamatos rögzítésű kőzetcsavaroknál a kőzetcsavar in situ" terhelésű erőjáréka lényegesen eltér a helyszínen végzett próbaterhelés hatására előálló erőjátéktól. Egy ragasztott kőzetcsavar akkor is eleget tehet a próbaterhelés követelményeinek (pl. viseljen el 50 kn húzóerőt), ha csak részben van a csavarszár akár elől, akár hátul beragasztva. Ugyanez áll a súrlódásos kőzetcsavaroknál is. Tehát a folyamatosan rögzített kőzetcsavarok próbaterhelésének eredményeit korántsem szabad úgy kezelnünk, mint a pontrögzítésű kőzetcsavarok próbaterheléseinek eredményeit. Ragasztott kőzetcsavarok próbaterhelésnél kapott általában nagy, a csavarszárat elszakító húzóerők csak viszonylagosan jellemzik a kőzetcsavar rögzítettségét és működőképességét. A hazai szénbányászat heterogén, kisszilárdságú kőzetkörnyezete általában folyamatos rögzítésű kőzetcsavarok alkalmazását teszi célszerűvé. A kisebb kőzetszilárdság hosszabb kőzetcsavarok alkalmazását kívánja. A legújabban megjelent csőhorgonyok (Split-Set, Swellex) engedékenysége igen előnyös biztosítószerkezeti tulajdonság, különösen kisebb kőzetszilárdság esetén. Mindezek miatt azt kell mondanunk, hogy a folyamatosan rögzített súrlódásos kőzethorgonyok várhatóan új lökést adnak a kőzetcsavarozás alkalmazásának hazánkban. IRODALOM 1. Bányaműveléstani Tanszék:^ kőzetcsavarozás elméleti és gyakorlati kérdéseinek vizsgálata. Kutatási részjelentés, 1983. 2. Bányaműveléstani Tanszék: Kőzethorgonyok erőjátéka és méretezése, a fejtési üregek stabilitásának vizsgálata (I). Laboratóriumi és üzemi kísérletek eredményei (II). Kutatási részjelentés, 1984. 3. PENG, S. S.: Coal Mine Ground Control. Wiley Interscience Publication, New York, 1978. 4. SOMOSVÁRI ZS.-.A kőzethorgonyos üregbiztosítás mechanikai jellemzőt (Könyvrészlet). Hansági, I.: Gyakorlati kőzetmechanika az ércbányászatban. Műszaki Könyvkiadó (Megjelenés alatt). DETERMINATION OF FORCES IN ROCK BOLTS IN DESIGN AND CONTROL OF SUPPORT by ZS. SOMOSVÁRI - A. NÉMETH Summary The study looks into the basic problems of rock bolt design. The forces are analysed for continuously fixed frictional and resin-glued rock anchors under experimental load. The theoretical results are checked by laboratory measurements on a tube anchor glued to a limestone body. Calculated and measured results agree very well. The study also determines the forces in rock bolts under natural circumstances and the suitable fields of application for point-fixed and continuously fixed rock bolts. 227

BESTIMMUNG DER KRÄFTE IN GESTEINSSCHRAUBEN ZUR AUSLEGUNG UND KONTROLLE DES AUSBAUES von ZS.SOMOSVÄRI - A.NÉMETH Zusammenfassung Die grundsätzlichen Fragen der Auslegung der Gesteinsverschraubung sind im Aufsatz dargelegt. Die Kräfte in den kontinuierlich befestigten Reibungs- und kunstharzgeklebten Gesteinsschrauben sind für Probenbelastung abgeleitet. Die abgeleiteten Ergebnisse wurden durch Labormessungen an einer in einem Kalksteinblock geklebten Gesteinsschraube kontrolliert. Aufgrund der guten Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Ergebnisse werden die Kräfte der Gesteinsschrauben unter natürlichen Bedingungen analysiert. Die zweckmäßigen Anwendungsbedingungen der punktbefestigten und der kontinuierlich befestigten Gesteinsschrauben werden erörtert. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ В ПОРОДНЫХ БОЛТАХ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ КРЕПИ Ж. ШОМОШВАРИ - А. НЕМЕТ Резюме В работе рассматриваются основные вопросы анкерного крепления. Приводится вывод сил в непрерывно-фиксированного фрикционного и скленного синтетической смолой анкерах в случае пробной нагрузки. Полученные результаты были проверены в лабораторных условиях на трубчатом анкере, вклеенном в известняковое тело- На основе хорошей сходимости расчетных и эесп ери ментальных данных в работе рассматриваются силы в породных болтах в природных условиях. Определены условия целесообразного применения точечно-фиксированных и непрерывно-фиксированных породных болтов. 228