PL197988B1 - Sposób i układ do oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych - Google Patents

Abstract

1. Sposób oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych oparty na pomiarze rozwarstwiania się stropu w pionowym otworze wywierconym w stropie wyrobiska górniczego na głębokość większą niż głębokość kotwi stropowych i w którym na czas pomiaru zamocowuje się kotwie górną i dolną, które łączy się cięgnem mającym również połączenie z rozwarstwieniomierzem, znamienny tym, że w oparciu o wynik precyzyjnie zmierzonego przyrostu rozwarstwienia, z dokładnością nie mniejszą niż jeden mikrometr, jak również precyzyjnie zmierzonego odstępu czasu, który upłynie pomiędzy kolejnymi pomiarami, ustala się prędkość średnią rozwarstwiania się stropu i w przypadku, gdy wartość tej prędkości wynosi do 16 x 10-6 m/h, strop jest stateczny i zagrożenie zawałem nie występuje, jeżeli wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu jest wyższa od 16 x 10-6 m/h, strop jest zagrożony utratą stateczności i wymaga zastosowania właściwej profilaktyki zawałowej, stosownie do zmierzonej wartości średniej prędkości rozwarstwiania się stropu, natomiast gdy wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu przekracza 4 x 10-4 m/h, wystąpienie zawału stropu jest nieuniknione i wyrobisko należy wyłączyć z ruchu

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych kopalń podziemnych, stanowiące podstawę dla oceny stopnia zagrożenia zawałem skał do wnętrza wyrobisk. Stateczność stropu w sposób zasadniczy warunkuje bezpieczeństwo pracy załogi, wielkość wydobycia kopaliny oraz transport urobku. Stateczność wyrobiska górniczego, a w tym stateczność stropu, zależy od stanu naprężeń panujących w górotworze, w którym znajduje się wyrobisko. O wielkości tych naprężeń decydują naprężenia pierwotne i wtórne. Wielkość naprężeń pierwotnych zależy od budowy geologicznej, od parametrów fizykomechanicznych skał tworzących górotwór, od struktury górotworu, od jego budowy tektonicznej oraz od głębokości zalegania złoża. Naprężenia wtórne pochodzą od struktury przestrzennego rozmieszczenia wyrobisk górniczych, od zastosowanych systemów eksploatacji, od szybkości postępu frontu, od usytuowania wyrobisk względem przestrzeni wybranych, itp. Człowiek nie ma wpływu na stan naprężeń wynikających z naturalnych warunków istniejących w otoczeniu wyrobiska górniczego, może natomiast prognozować zachowanie się górotworu w otoczeniu wyrobiska, prowadząc odpowiednie obserwacje i pomiary, zwłaszcza związane z oceną stateczności stropu, ponieważ niekontrolowane przejście stropu w stan niestateczny związane z rozwojem rozwarstwień stropu na kontakcie ławic, albo z rozwojem spękań lub szczelin związanych z systemem spękań ociosowych jest źródłem zawałów będących przyczyną wielu wypadków górniczych.

Znane są do oceny stateczności skał stropu w kopalniach podziemnych, obok obserwacji wizualnych, sygnalizatory sumarycznego rozwarstwienia skał stropu. Instaluje się je w pionowych otworach wykonanych w stropie. Sygnalizują one kolejne fazy odspajania się warstw stropu graniczących z wyrobiskiem w stosunku do głębiej położonych warstw stropu, najczęściej co kolejne 5 mm przyrostu rozwarstwienia. Instaluje się również w pionowych otworach w stropie rozwarstwieniomierze różnych typów, poczynając od prostych mechanicznych, a kończąc na dokładniejszych elektrycznych, często z teletransmisją danych i automatyczną obróbką wyników pomiarów. Pozwalają one mierzyć przebiegi sumarycznego rozwarstwienia skał stropu, czyli przebiegi zmian odległości między kotwią zainstalowaną w głębi otworu a wylotem otworu w funkcji czasu z dokładnością do około 0,1 mm, w przypadku rozwarstwieniomierzy elektrycznych. Dla poznania struktury tworzenia się rozwarstwień w stropie i właściwego doboru obudowy stropu, stosuje się znane ekstensometry instalowane w otworach wykonanych w stropie. Pozwalają one mierzyć i rejestrować przebiegi rozwarstwiania się stropu w kilkunastu, a nawet więcej przedziałach pomiaru, usytuowanych wzdłuż osi otworu, co umożliwia identyfikację strefy powstawania największych rozwarstwień w stropie. Innym znanym sposobem oceny stateczności stropu jest okresowe, wizualne kontrolowanie rozwoju rozwarstwień i odspojeń warstw skał stropowych wokół otworu wykonanego w stropie wyrobiska, zwane wziernikowaniem stropu za pomocą przyrządu zwanego endoskopem. Wszystkie znane dotychczas sposoby oceny stateczności stropu mają zasadniczą niedogodność techniczną, nie pozwala ona na natychmiastową i jednoznaczną ocenę stateczności stropu w konkretnym fragmencie wyrobiska górniczego. Obserwacje wizualne wskazują głównie na stopień zniszczenia struktury stropu i obudowy, co nie jest tożsame z zagrożeniem zawałem, bo wiele stropów o silnych symptomach zniszczenia pozostaje statecznymi. Podobnie jest ze wskazaniami sygnalizatorów rozwarstwiania się stropu, po których zadziałaniu, świadczącym o przyroście rozwarstwienia nawet rzędu kilkunastu milimetrów, często strop pozostaje nadal stateczny. Stosowanie rozwarstwieniomierzy może być bardzo efektywne dla oceny stateczności stropu (Pat. PL 176 590) pod warunkiem, że w stropie wyrobiska co najmniej 14 dni wcześniej został zainstalowany rozwarstwieniomierz, a pomiary wykonywano od chwili zainstalowania nie rzadziej niż co dwa dni. Ponieważ w każdej kopalni występują kilometry wyrobisk chodnikowych i dziesiątki skrzyżowań wyrobisk potencjalnie zagrożonych zawałem, rozwarstwieniomierze o wymaganej dokładności mogą być stosowane tylko w ograniczonym zakresie, np. w komorach, gdzie stale przebywają ludzie, głównie ze względu na stosunkowo wysoki koszt rozwarstwieniomierzy. Z podobnych powodów ekstensometry mogą być stosowane prawie wyłącznie do badań nad doborem obudowy kotwiowej, ale są one zbyt drogie do ich masowego stosowania w kopalni. Wziernikowanie stropu za pomocą endoskopów jest skutecznym sposobem do oceny stopnia zniszczenia skał w stropie, a wykonywane okresowo pozwala kontrolować postęp niszczenia struktury stropu. Korzystanie z tego sposobu do oceny stateczności stropu nie jest wskazane, ponieważ nie zachodzi tu bezpośrednia korelacja między stopniem zniszczenia stropu, a zagrożeniem zawałem. Często stropy o zniszczonej strukturze

PL 197 988 B1 nadal pozostają stateczne. Tym sposobem również nie można oceniać dynamiki rozwarstwiania się stropu, a zatem i oceny zagrożenia zawałem stropu w konkretnej chwili.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest sposób i układ do oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych. Sposób oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych jest oparty na pomiarze rozwarstwiania się stropu w pionowym otworze wywierconym w stropie wyrobiska górniczego na głębokość większą niż głębokość kotwi stropowych i w którym na czas pomiaru zamocowuje się kotwie górną i dolną, które łączy się cięgnem, mającym również połączenie z rozwarstwieniomierzem mierzącym rozwarstwienia z dokładnością nie mniejszą niż jeden mikrometr. Mierzy się równocześnie precyzyjnie odstęp czasu, który upłynie pomiędzy kolejnymi pomiarami rozwarstwienia. W oparciu o wyniki pomiarów ustala się prędkość średnią rozwarstwiania się stropu. W przypadku, gdy wartość tej prędkości wynosi do 16 x 10⁶ metra na godzinę, strop jest stateczny i zagrożenie zawałem nie występuje. Jeżeli wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu jest wyższa od 16 x 106 metra na godzinę strop jest zagrożony utratą stateczności i wymaga zastosowania właściwej profilaktyki zawałowej, stosownie do zmierzonej wartości średniej prędkości rozwarstwiania się stropu. Gdy wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu przekracza 4 x 10⁴ metra na godzinę, wystąpienie zawału stropu jest nieuniknione i wyrobisko należy wyłączyć z ruchu.

Układ do oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych składa się z otworu wywierconego pionowo w badanym stropie, kotwi górnej i dolnej połączonych cięgnem, które łączy się z precyzyjnym rozwarstwieniomierzem o dokładności nie mniejszej niż jeden mikrometr. Posiada on własny wskaźnik przyrostu rozwarstwienia. Jego wyjście jest połączone z wejściem przelicznika średniej prędkości rozwarstwiania się stropu. Do drugiego wejścia tego przelicznika jest połączone wyjście precyzyjnego chronometru. Posiada on również własny wskaźnik czasu. Wyjście przelicznika średniej prędkości rozwarstwiania się stropu, jest połączone z wejściem wskaźnika średniej prędkości rozwarstwiania się stropu, wyskalowanego w metrach na godzinę i mającego zakreślone trzy pola. Pierwsze, bezpieczne, gdy prędkość rozwarstwiania się jest mniejsza niż 16 x 106 m/h, drugie, zagrożenie, gdy prędkość rozwarstwiania się jest większa niż 16 x 106 m/h i jest konieczna odpowiednia profilaktyka zawałowa i trzecie, gdy grozi nieuchronnie zawał, a prędkość rozwarstwiania się stropu jest większa niż 4 x 10⁴ m/h, istnieje konieczność wyłączenia wyrobiska z ruchu.

Sposób i układ do oceny stateczności stropu według wynalazku posiada szereg istotnych zalet. Jest pozbawiony wad wszystkich znanych sposobów do oceny stateczności stropu. Nie wymaga stosowania stacjonarnych rozwarstwieniomierzy i pozwala, w dowolnie wybranym czasie, szybko oraz w najbardziej wiarygodny sposób, spośród znanych sposobów, ocenić stopień zagrożenia zawałem stropu w dowolnym wyrobisku kopalni. Bardzo korzystne właściwości, zarówno sposobu jak i układu, uzyskano stosując procedurę pomiaru średniej prędkości rozwarstwiania się stropu, przy ograniczeniu niezbędnego czasu pomiaru do kilkunastu minut. Pozwala to, prawie natychmiast ocenić, czy strop jest stabilny i bezpieczny, czy niestabilny i zagrażający zawałem. Układ według wynalazku umożliwia uzyskanie jakościowo nowych informacji o stanie stropu wyrobiska w czasie zaledwie kilkunastu minut. Dla porównania - sposób oceny stateczności wyrobiska górniczego według patentu PL 176 590 wymagał okresu co najmniej 14 dni uprzedniej obserwacji górotworu. Sposób według wynalazku umożliwia również bezpośrednie prognozowanie zawału stropu, nie tylko na podstawie samego faktu wykrycia niestateczności stropu wyrobiska, ale również pozwala ocenić, kiedy może wystąpić zawał na podstawie zmierzonej wartości prędkości rozwarstwiania się stropu przed spodziewanym zawałem. Z drugiej strony, zarówno sposób jak i układ, dzięki temu, że procedura testowania stanu stropu trwa tylko kilkanaście minut, umożliwia łatwą realizację rutynowego kontrolowania stateczności wyrobisk, które powinny być szczególnie chronione przed zawałami, takie jak chodniki, skrzyżowania transportowe, komory, w których stale przebywają ludzie i inne podobne. W porównaniu ze znanymi sposobami oceny stateczności stropu, opartych w głównej mierze na ocenie warunków geologicznych otoczenia wyrobiska oraz na wziernikowaniu stropu i na klasycznych pomiarach górniczych, sposób według wynalazku jest sposobem czysto eksperymentalnym, nie wymagającym żadnych dodatkowych danych o otoczeniu wyrobiska. Inną bardzo istotną zaletą sposobu i układu według wynalazku, nie spotykaną dotąd w praktyce eksploatacji górniczej, jest możliwość niemal natychmiastowej oceny skuteczności zastosowanych zabiegów technologicznych dla wzmocnienia stropu, takich jak dodatkowe kotwienie stropu, podparcie stropu itp.

Sposób oceny stateczności stropu w wyrobisku górniczym jest przedstawiony i bliżej objaśniony w przykładzie zastosowania na schematycznym rysunku, na którym w otworze wiertniczym 1 wykonanym w stropie 2 wyrobiska instaluje się na czas potrzebny do wykonania pomiaru kotew

PL 197 988 B1 górną 3 usytuowaną na głębokości H większej od długości kotwy obudowy kotwiowej lub ponad spodziewaną strefą zniszczenia skał stropu. Kotew dolną 4 sytuuje się u wylotu otworu wiertniczego. Obie kotwie łączy się cięgnem 5 i równocześnie z rozwarstwieniomierzem 6 o dużej precyzji pomiaru pozwalającej rozróżniać rozwarstwienia rzędu jednego mikrometra. Rozwarstwieniomierz posiada wskaźnik rozwarstwienia, umożliwiający zmierzenie przyrostu rozwarstwienia stropu ΔΗ z dużą precyzją. Pomiaru dokładnego czasu dokonuje się przy pomocy chronometru 7. W czasie tp odczytanym z chronometru dokonuje się odczytu wskazania początkowego Hp wskaźnika rozwarstwieniomierza w mikrometrach, a w czasie t_k dokonuje się odczytu wskazania końcowego H_k wskaźnika rozwarstwieniomierza w mikrometrach. Różnica wartości wskazań początkowego i końcowego, przyrost rozwarstwienia ΔH = Hk - Hp podzielona przez przyrost czasu pomiędzy odczytami Δt = tk - tp i pomnożona przez 60, co daje średnią prędkość rozwarstwiania się stropu w mikrometrach na godzinę. W przypadku gdy wartość tej prędkości jest mniejsza niż 16 x 10⁶ m/h strop jest stateczny i zagrożenie zawałem nie występuje. Jeżeli wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu jest większa niż 16 x 106 m/h, strop jest zagrożony utratą stateczności i wymaga zastosowania właściwej profilaktyki zawałowej, stosownej do wyliczonej wartości średniej prędkości rozwarstwiania się stropu. W przypadku, gdy wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu przekracza wartość 4 x 10⁴ m/h wystąpienie zawału stropu jest nieuniknione i wyrobisko należy wyłączyć z ruchu.

Układ do oceny stateczności stropu w wyrobisku górniczym jest przedstawiony i bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na schemacie blokowym na rysunku, na którym w otworze wiertniczym 1 wywierconym pionowo w testowanym stropie 2 na głębokość 5,5 m zainstalowano kotew górną 3 na głębokości H = 5 m, a kotew dolną 4 umieszczono u wylotu otworu przy stropie 2 wyrobiska. Obie kotwie połączono ze sobą cięgnem 5 łączącym się również z rozwarstwieniomierzem 6 posiadającym wskaźnik rozwarstwienia wycechowany w mikrometrach. Wyjście tego wskaźnika zostało połączone z wejściem przelicznika 8 średniej prędkości rozwarstwiania się stropu V_R. Do drugiego wejścia tego przelicznika jest dołączone wyjście precyzyjnego chronometru 7, który posiada również własny wskaźnik czasu. Wyjście przelicznika 8 średniej prędkości rozwarstwiania się stropu jest połączone z wejściem wskaźnika 9 wycechowanego w m/h, średniej prędkości V_R rozwarstwiającego się stropu 2. Wskaźnik 9 ma zakreślone trzy pola, pierwsze - bezpieczne, gdy prędkość rozwarstwiania się stropu jest mniejsza niż V_R = 16 x 106 m/h, drugie - zagrożenie, gdy prędkość rozwarstwiania się stropu jest większa niż Vr = 16 x 106 m/h i konieczna jest profilaktyka zawałowa oraz trzecie - nieuchronnie grozi zawał, gdy prędkość rozwarstwiania się stropu jest większa niż Vr = 4 x 10⁴ m/h i wyrobisko należy wyłączyć z ruchu.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych oparty na pomiarze rozwarstwiania się stropu w pionowym otworze wywierconym w stropie wyrobiska górniczego na głębokość większą niż głębokość kotwi stropowych i w którym na czas pomiaru zamocowuje się kotwie górną i dolną, które łączy się cięgnem mającym również połączenie z rozwarstwieniomierzem, znamienny tym, że w oparciu o wynik precyzyjnie zmierzonego przyrostu rozwarstwienia, z dokładnością nie mniejszą niż jeden mikrometr, jak również precyzyjnie zmierzonego odstępu czasu, który upłynie pomiędzy kolejnymi pomiarami, ustala się prędkość średnią rozwarstwiania się stropu i w przypadku, gdy wartość tej prędkości wynosi do 16 x 106 m/h, strop jest stateczny i zagrożenie zawałem nie występuje, jeżeli wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu jest wyższa od 16 x 106 m/h, strop jest zagrożony utratą stateczności i wymaga zastosowania właściwej profilaktyki zawałowej, stosownie do zmierzonej wartości średniej prędkości rozwarstwiania się stropu, natomiast gdy wartość średniej prędkości rozwarstwiania się stropu przekracza 4 x 10⁴ m/h, wystąpienie zawału stropu jest nieuniknione i wyrobisko należy wyłączyć z ruchu.
2. 2. Układ do oceny stateczności stropu w wyrobiskach górniczych, składający się z otworu wywierconego pionowo w badanym stropie, cięgna, kotwi górnej i dolnej, znamienny tym, że zawiera precyzyjny rozwarstwieniomierz (6) o dokładności nie mniejszej niż jeden mikrometr, posiadający własny wskaźnik przyrostu rozwarstwienia (AH) stropu i którego wyjście jest połączone jednocześnie z wejściem przelicznika (8) średniej prędkości rozwarstwienia (Vr) stropu, a do drugiego wejścia tego przelicznika jest podłączone wyjście precyzyjnego chronometru (7), który posiada również własny wskaźnik czasu, podczas gdy wyjście przelicznika (8) średniej prędkości rozwarstwiania się stropu jest

   PL 197 988 B1 połączone z wejściem wskaźnika (9) średniej prędkości rozwarstwiania się stropu (V_R) wyskalowanego w metrach na godzinę, posiadającego zakreślone trzy pola, pierwsze - bezpieczne, gdy prędkość rozwarstwiania się stropu jest mniejsza niż 16 x 10⁶ m/h, drugie - zagrożenie, gdy prędkość rozwarstwiania się stropu jest większa niż 16 x 106 m/h, istnieje konieczność prowadzenia odpowiedniej profilaktyki zawałowej i trzecie - niebezpiecznie, nieuchronnie grozi zawał stropu, gdy prędkość rozwarstwiania się stropu jest większa niż 4 x 10⁴ m/h, wyłączenie wyrobiska z ruchu jest konieczne.