1
Dr inż. Zbigniew Rak
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Utrzymanie wyrobisk przyścianowych za frontem eksploatacji w trudnych warunkach górniczo-
geologicznych na przykładzie Kopalni LW „Bogdanka” S.A – część I – przegląd technologii
Streszczenie
Rosnące koszty drążenia wyrobisk przyścianowych powodują, że zagadnienie ich utrzymywania za
frontem
eksploatacji
jest
systematycznie
podejmowane
w
naszych
kopalniach.
W niniejszym artykule podjęto próbę podsumowania dotychczasowych doświadczeń w zakresie
utrzymywania chodników przyścianowych w Polsce. Opisano również rezultaty takich prób, które
prowadzono w stosunkowo trudnych warunkach złoża LW „Bogdanka” S.A. w latach 80-tych
ubiegłego stulecia. Z powodu niezadawalających rezultatów odstąpiono wówczas od tej technologii
wprowadzając jednocześnie system eksploatacji od granic.
1. Wstęp
W sąsiedztwie wyrobiska ścianowego wydzielić można kilka następujących stref charakterystycznych
(rys. 1), [1]:
strefa uszczelnionych zrobów, w której warstwy skał nadległych podparte są rumowiskiem
zawałowym lub podsadzką, wskutek czego stan naprężenia jest tutaj zbliżony do stanu
pierwotnego,
strefa uszczelniających się zrobów, w której warstwy skał nadległych osiadają stopniowo na
rumowisku zawałowym lub podsadzce,
strefa pola roboczego, w której odsłonięty strop zabezpieczony jest obudową ścianową,
strefa eksploatacyjna, w której występują największe naprężenia pionowe, osiągając
najwyższe wartości w bezpośrednim sąsiedztwie czoła ściany, szerokość tej strefy wynosi od
kilkudziesięciu metrów (stropy mało sztywne, np. łupki) do sto kilkudziesięciu metrów (stropy
sztywne, np. piaskowce),
strefa pokładu nienaruszonego, która występuje przed strefą eksploatacyjną, charakteryzuje
się stanem naprężenia zbliżonym do pierwotnego.
Z punktu widzenia utrzymywania chodnika za frontem eksploatacyjnym najistotniejszym jest
odpowiednie zabezpieczenie chodnika w strefie eksploatacyjnej (zwanej często strefą ciśnień
eksploatacyjnych) oraz strefy uszczelniającego się oraz uszczelnionego zawału. W strefie pierwszej,
charakteryzującej się najwyższym poziomem ciśnień (czasami nawet ponad trzykrotnie wyższych od
ciśnień pierwotnych) dochodzi do największych oddziaływań górotworu na obudowę chodników
przyścianowych. Brak odpowiednich i odpowiednio wcześnie zabudowanych wzmocnień tej obudowy
może skutkować jej nadmiernymi deformacjami, które w sposób wydatny ograniczą jej wartość
nośną już w okresie utrzymywania za ścianą. Z kolei strefa uszczelniającego się zawału to strefa
stopniowo narastających ciśnień, aż do osiągnięcia poziomu zbliżonego do ciśnień pierwotnych.
Długość tej strefy wynosi od około 100 do około 200 m. W strefie uszczelnionego zawału
obserwujemy stan równowagi wtórnej o cechach zbliżonych do stanu naprężeń pierwotnych [1].
2
Rys. 1. Rozmieszczenie stref charakterystycznych w rejonie wyrobiska ścianowego
O ile w polu ściany bezpośrednio za linią obudowy zmechanizowanej obserwujemy spadek naprężeń
do zera (obszar tworzącego się zawału), a następnie powolny wzrost do wartości zbliżonej do ciśnień
pierwotnych (uszczelniający się i uszczelniony zawał), to w odniesieniu do wyrobiska utrzymywanego
za ścianą musimy pamiętać że wielkości obciążeń na obudowę kształtują się nieco inaczej, [3]. W tym
wypadku nie mówimy bowiem o przestrzeni wygrodzonej w zawale ale bezpośrednio z nią
sąsiadującej. Nad wyrobiskiem za przodkiem ścianowym tworzy się tzw. belka wspornikowa, której
ugięcie będzie czynnikiem decydującym o wielkości obciążenia obudowy (rys. 2). Jedna z teorii głosi,
że linia ugięcia belki wspornika wyraża się równaniem [2]:
(1)
gdzie:
p
z
– składowa pionowa pierwotnego stanu naprężenia, Pa,
l − rozpiętość belki wspornikowej podpartej, m,
I − moment bezwładności belki, m4,
E − moduł Younga dla górotworu, Pa,
x − współrzędna bieżąca, m,
E/λ − odwrotność czasu opóźnienia sprężystego, 1/rok,
λ − współczynnik lepkości belki (λ ≥ 0),
t
c
− czas, lata.
Dla x = 0,5785·l - ugięcie osiąga wartość maksymalną:
(2)
Ze wzoru (2) można wnioskować, że osiadania belki, a tym samym stropu chodnika rośnie z czwartą
potęgą długości belki oraz z czasem t
c
. W rezultacie można przyjąć, że najkorzystniejsze warunki
utrzymania chodnika w jednostronnym otoczeniu zrobów osiągnie się przy minimalnej długości
wspornika. Rozpiętość wspornika, jak wynika z rysunku 2, to suma szerokości samego chodnika oraz
rozpiętości stropu utrzymywanego przy chodniku bezpośrednio za ścianą w rejonie wnęki dolnej,
3
Rys. 2. Stropowa belka wspornikowa
która jest niezbędna dla zabudowy podpór podtrzymujących belkę wspornikową przy linii zawału.
O ile szerokość wyrobiska wynika ściśle ze względów ruchowych, tj. głównie wyposażenia chodnika,
o tyle rozpiętość belki „przy chodniku” zależy wyłącznie od przyjętego schematu zabezpieczenia
chodnika w jednostronnym otoczeniu zrobów.
W tej przestrzeni, a więc od ociosu
chodnika aż po linię zawału jesteśmy
zmuszeni do zabudowy zabezpieczeń
podporowych
gwarantujących
utrzymanie belki wspornikowej, tak
aby jej ugięcie nie spowodowało
nadmiernej deformacji obudowy
samego
chodnika.
Pamiętając
zależność
funkcyjną
(2),
która
wskazuje
na
konieczność
minimalizacji
długości
belki,
będziemy
poszukiwać
wysokopodporowych
wzmocnień
obudowy. Wzmocnienia takie przy niewielkiej powierzchni przekroju poprzecznego powinny
zagwarantować odpowiednią reakcję dla przemieszczającej się belki wspornikowej. Z drugiej strony
należy jednak zwrócić uwagę, że nadmierne skracanie belki wspornikowej przy chodniku stosowanie
tym samym podpór o niewielkim przekroju poprzecznym może skutkować także efektami całkowicie
odmiennymi od zamierzonych, tj.:
w przypadku skał spągowych o niskich parametrach wytrzymałościowych zachodzi
możliwość wciskania podpór w spąg,
w przypadku skał stropowych o niskich parametrach wytrzymałościowych zbyt krótka belka
może okresowo ulegać spękaniu i zniszczeniu co w efekcie spowoduje przesunięcie zawału
w stronę ociosu wyrobiska i przejęcie całości obciążeń przez jego obudowę,
w ścianach wysokich zbyt mały stosunek przekroju poprzecznego do wysokości podpór (zbyt
duża smukłość podpory) zwiększa ryzyko ich wyboczenia, a co za tym idzie redukcji
podporności.
Wielkość obciążeń od uginającej się belki oraz prognozowanie konwergencji chodników narażonych
na bezpośrednie oddziaływanie czynnego frontu eksploatacji były w ostatnich latach częstym
przedmiotem badań dołowych [3], [4]. Wartość początkowa ciśnienia pionowego waha się tu od kilku
do kilkudziesięciu procent ciśnień pierwotnych. W praktyce jest ona uzależniona od kilku elementów,
z których najważniejsze obok lokalnych warunków górniczo-geologicznych to prędkość postępu
przodka i skuteczność przejmowania ciśnień przez zasadniczą obudowę podporową chodnika. W tym
ostatnim przypadku bezpośrednio na skrzyżowaniu prawie zawsze dokonujemy demontażu
obudowy, a bezpośrednio za trasą przenośnika ścianowego ponownego montażu. Zanim obudowa
ponownie włączy się do współpracy z górotworem następuje zazwyczaj niewielkie przemieszczenie
pionowe warstw stropowych, skutkujące dodatkowym obciążeniem podpór zabezpieczających
wspornik za ścianą. Tak więc jakość zabezpieczenia wyrobiska na skrzyżowaniu, a tym samym
zdolność obudowy chodnikowej do szybkiego przejęcia obciążeń, wpływa na wielkość obciążeń
wspornika stropowego bezpośrednio za ścianą. Zważywszy na powyższe, należy liczyć się
z okresowymi stosunkowo wysokimi poziomami obciążenia elementów podpierających wspornik
stropowy bezpośrednio za ścianą. Aby zapobiec nadmiernemu ugięciu wspornika i rozwarstwianiu
warstw stropu bezpośredniego, należy z dużą starannością zabudowywać zabezpieczenia tzw. wnęki
dolnej, tj. przestrzeni pomiędzy chodnikiem podścianowym, a pierwszą sekcją obudowy
zmechanizowanej
w ścianie. Zabezpieczenia te obok odpowiednio wysokiej podporności powinny charakteryzować się
szybkim podejmowaniem współpracy z górotworem typowym dla obudów wczesno- i natychmiast
podporowych.
4
Rys. 3. Konstrukcje drewnianej obudowy wielobokowej wzmacniającej obudowę chodnika w
warunkach jednostronnego otoczenia zrobami
2. Wybrane techniki zabezpieczania wyrobisk w jednostronnym otoczeniu zrobów
Kilka dziesięcioleci doświadczeń w zakresie utrzymywania wyrobisk za frontem eksploatacji pozwoliły
na wypracowanie wielu metod, których zastosowanie, niejednokrotnie w bardzo trudnych
warunkach, umożliwia powtórne wykorzystanie wyrobiska przyścianowego. Część z nich wraz ze
schodzeniem z eksploatacją na większe głębokości oraz w dobie wysokich postępów przodków
wybierkowych, stosowana jest jedynie sporadycznie. Pojawiają się jednak nowe sposoby
charakteryzujące się wysoką nośnością, częściowo zmechanizowane i ograniczające zagrożenia,
szczególnie pożarami endogenicznymi i metanowe. Poniżej krótko scharakteryzowano podstawowe
metody stosowane w polskim górnictwie. Powszechne stosowanie zabezpieczeń drewnianych
sprowadza się do zabudowy pojedynczych lub podwójnych podciągów podpieranych stojakami
drewnianymi na linii zawału, najczęściej wraz z jednoczesną zabudową tzw. poligonów drewnianych,
rys. 3 i 5. Metoda ta choć może wydawać się nieco archaiczna, to jednak jeszcze dziś znajduje
ograniczone zastosowanie w niektórych kopalniach w chodnikach utrzymywanych za ścianą.
W sytuacji większych obciążeń belki wspornikowej, łamacze zastępowano powszechnie kasztami
(stosami) drewnianymi, rys. 3. Kaszty drewniane buduje się ze starych podkładów kolejowych,
z drewna okrągłego lub z odpowiednio przygotowanych drewnianych belek prostopadłościennych.
Stosy drewniane z okrąglaków wykazują dużą ściśliwość, a ich podporność wzrasta wraz z przyrostem
osiadania stropu. Podporność zwykłego stosu czteropunktowego z okrąglaków drewna sosnowego
lub dębowego (wymiar 1,6 × 1,1 m i wysokości h = 1,45 m) wynosi [5]:
• przy ściśliwości 10% 50 - 230 kN, średnio 140 kN,
• przy ściśliwości 20% 90 - 360 kN, średnio 220 kN,
• przy ściśliwości 30% 140 - 550 kN, średnio 270 kN.
Wzrost podporności i zmniejszenie ściśliwości uzyskuje się wypełniając kaszty, zazwyczaj ręcznie,
skałą płonną. Wzrost podporności kasztu uzyskać można również stosując stosy sześcio- lub
dziewięciopunktowe. Według Nikitina podporność kasztu dziewięciopunktowego, przy osiadaniu
stropu 31 cm, wynosia 1600 kN [6]. Równolegle z ww. sposobami wzmocnień obudowy chodników
stosowano pasy suchej podsadzki. Wykonanie pasów podsadzki suchej polega na ręcznym lub
mechanicznym ułożeniu skały przy chronionym chodniku, w pasie o szerokości 6-10 m (rys. 4). Pas
ten wygradzano bezpośrednio za ścianą najczęściej drewnem. Wygrodzoną przestrzeń wypełniano
ręcznie lub mechanicznie skałą płonną. Przy ręcznym układaniu pasów skałę pozyskuje się
z gruzowiska zawałowego. Przy mechanicznym układaniu pasów skałę pozyskuje się najczęściej
z wyrobisk drążonych w kamieniu. Układanie mechaniczne może polegać na wykorzystaniu
pneumatycznych maszyn podsadzkowych lub urządzeń miotających. Ściśliwość pasów
podsadzkowych jest jednak stosunkowo duża. Skutkuje to nadmiernym uginaniem belki stropowej,
a tym samy przeciążaniem i niejednokrotnie silnym deformowaniem obudowy chodnikowej.
W przypadku pasów o większej szerokości, w środku wygrodzonego pola budowano kaszt drewniany,
który naturalnie również wypełniano skałą płonną. Tak utworzone pasy podsadzkowe, dla
5
Rys. 4. Pas podsadzki suchej zabezpieczający
chodnik za ścianą
(1 - deskowanie lub osiatkowanie ociosu, 2 - skała
płonna, 3 - łamacz drewniany)
Rys. 5. Przykład kompleksowego zabezpieczenia chodnika za ścianą z kasztem,
podciągami, stojakami stalowymi i drewnianymi oraz zamykaniem obudowy ŁP
ograniczenia ich ściśliwości, z czasem
przelewano także spoiwami hydraulicznymi.
Już w latach 70-tych wykorzystywano do
tego celu m.in. anhydryt. Rozwiązania takie
opisano
w następnym rozdziale. Naturalnie bez
względu na stosowane sposoby podpierania
wspornika stropowego od strony zawału,
jednocześnie stosowane jest bezpośrednie
wzmacnianie
obudowy
chodnikowej
poprzez
podpieranie
stojakami
drewnianymi,
stalowymi,
zabudowę
podciągów oraz zamykanie obudowy ŁP, rys.
5 [7]. Obecnie coraz częściej z bardzo
pozytywnymi
skutkami
stosuje
się
w polskim górnictwie węglowym kaszty z
twardego drewna bukowego. Elementami
kasztu są drewniane belki prefabrykowane,
dostarczane w formie belek, rys. 6.
Podstawowy element posiada 4 zacięcia węgłowe. Elementy odpowiednio układane w nacięciach
tworzą bezszczelinowy graniastosłup o podstawie rombu, kwadratu lub prostokąta aż do momentu
uzyskania żądanej wysokości stosu, fot. 1. System skośnych zacięć węgłowych, powodując
samoklinowanie się poszczególnych elementów, zapewnia dużą stabilność kasztu oraz częściowo
zapobiega jego wyboczeniom. W końcowej fazie podbudowy kasztu pod stropem, układane są
elementy modułowe o niższej wysokości, a następnie wzdłużne kliny, których zabicie powoduje
wczesne włączenie się kasztu do współpracy z górotworem. Badania kasztów z drewna bukowego,
zrealizowane w laboratoriach GIG w Katowicach wykazują, że ich podporność kilkukrotnie przewyższa
podporność kasztów typowych wykonanych ze staroużytecznych podkładów kolejowych przy
6
Rys. 6. Element prefabrykowany kasztu
Fot. 1. Kaszt w fazie układania
elementów prefabrykowanych
Rys. 7. Pas podsadzkowy
(1-podciąg stalowy, 2-stojak stalowy, 3-
tama boczna, 4-materiał podsadzkowy)
stosunkowo niewielkiej podatności. Kaszt o wysokości 2,0 m przy obciążeniach na poziomie 1500 kN
odkształca się o około 12,5 cm, tj. zaledwie nieco powyżej 6% wysokości początkowej. Wysoka
skuteczność takiego systemu zabezpieczenia wyrobiska za ścianą została potwierdzono w ostatnich
latach w kilku kopalniach JSW S.A. i KHW S.A.
Drugim kierunkiem rozwoju sposobów ochrony chodników przyścianowych było zastosowanie pasów
ochronnych wykonanych z materiałów
wiążących, rys. 7. Jako materiał wiążący
stosuje się tu anhydryt lub specjalne
spoiwa górnicze [8], [9]. Pas taki
powinien
być
wykonywany
systematycznie
i bezpośrednio za wlotem do ściany,
a więc w jak najbliżej od czoła ściany.
Szerokość pasa zależna jest od grubości
wybieranego pokładu, zastosowanego
spoiwa i parametrów odkształceniowo -
wytrzymałościowych
spągu.
W
warunkach polskich kopalń ich szerokość
zazwyczaj mieści się w przedziale od 1 do 3 metrów. Wykonywanie pasa wymaga wygradzania
przestrzeni przeznaczonej do wypełnienia. Zapewnienie wymaganej nośności pasa zależy również od
usunięcia warstwy miękkiego spągu z wygrodzonej
przestrzeni. Budowa pasa bywa przez to
przedsięwzięciem bardzo pracochłonnym.
Początkowo
w
polskich
kopalniach
węgla
kamiennego stosowano głównie spoiwa na bazie
anhydrytu, później, wraz z rozwojem technologii
spoiw mineralnych pojawiły się nowe tworzywa m.in. takie jak Utex, Izolitex, Procem, Ekobet,
Tekblend i Teksil, Spoiwa te to najczęściej wolniej lub szybciej wiążące spoiwa mineralno-cementowe.
Przykładowo spoiwo Utex-15 jest mieszaniną cementu portlandzkiego, popiołu lotnego i domieszek
modyfikujących jego właściwości. W temperaturze 20°C początek wiązania następuje po około 6
godzinach, a koniec wiązania po około 7 godzinach. Po 28 dniach wytrzymałość na ściskanie próbek
spoiwa przechowywanych w warunkach powietrzno-suchych wynosi około 24 MPa, fot. 2. Obecnie
szerzej stosowane są spoiwa szybkowiążące Ekobet i Tekblend. Spoiwa te charakteryzuje obok
szybkiego procesu wiązania (kilka do kilkunastu minut) także stosunkowo wczesny przyrost
wytrzymałości w początkowej fazie utwardzania materiału. Po godzinie posiadają już, przy
odpowiednio niskim stosunku w/c, wytrzymałość na poziomie 1-2 MPa. Jednak tempo przyrostu
w następnych kilku godzinach jest już znacznie wolniejsze. Końcowa wytrzymałość tych spoiw jest
jednak bardzo niewielka i kształtuje się na poziomie od kilku do kilkunastu MPa. Tak niskie parametry
powodują, że w warunkach głębokich polskich kopalń pasy wykonane na ich bazie mogą ulegać
7
Fot. 2. Widok wyrobiska zabezpieczonego pasem podsadzkowym
z materiału UTEX [mat. rekl. UTEX]
przedwczesnej destrukcji. Technologia zabezpieczania wyrobisk z zastosowaniem pasów
podsadzkowych wymaga wykonania tamy bocznej i najczęściej także tamy czołowej w podsadzanej za
ścianą przestrzeni. Tamy takie są wykładane płótnem podsadkowym lub instaluje się w nich worki
z tego płótna wyposażone w odpowiednie zawory wlotowe. Dopiero do tak wygrodzonej przestrzeni
wtłacza się zaczyn spoiwa. Generalnie stosuje się dwie techniki zatłaczania spoiw. Najczęściej
stosowaną w naszym górnictwie jest podawanie metodą mokrą. Polega ona na przetłaczaniu pompą
i wężami wcześniej przygotowanego zaczynu do wygrodzonej przestrzeni pasa. Zaczyn, a więc
mieszanina suchego spoiwa z wodą zarobową, o odpowiednim stosunku wody do suchej masy (w/s),
tworzony jest w układzie pompowym lub niezależnie. Wykorzystuje się tu pompy śrubowe, zwane
potocznie w kopalniach „gipsiarkami” lub pompy perylstatyczne (gł. w Kopalni „Bogdanka”). Technika
zatłaczania
metodą
mokrą
niestety
generuje
pewne
straty
spoiwa
związane
z koniecznością czyszczenia
pompy
i
węża
po
zakończonym
cyklu
podsadzania.
Straty
te
dotyczą zarówno spoiwa, jak
i czasu na wykonanie tych
operacji.
Kolejną
wadą
metody
jest
efekt
tzw.
przewodnienia spoiwa często
obserwowanego
w
warunkach
dołowych.
Przewodnienie powodowane
jest zazwyczaj właściwościami
spoiwa lub błędem ludzkim
wywoływanym zazwyczaj chęcią przyspieszenia wypełniania podsadzanej przestrzeni oraz
zredukowania ryzyka zaklejenia przewodu. Druga technika wypełniania pasów to tzw. metoda sucha.
Polega ona na pneumatycznym transporcie spoiwa rurociągami z głównych instalacji
powierzchniowych lub dołowych do miejsca wypełniania wygrodzonej przestrzeni. Końcowym
odcinkiem przewodu transportującego jest przewód giętki zakończony lancą wyrzutową. Do dyszy
wyrzutowej zainstalowany jest również drugi przewód giętki zakończony dyszą doprowadzającą wodę
w celu nawilżenia spoiwa. Lancą steruje ręcznie operator, wypełniając spoiwem wygrodzoną
przestrzeń. Centralne instalacje pneumatyczne, podające suche spoiwo z powierzchni lub podszybia,
są jednak stosunkowo drogie, co obok pewnych ograniczeń technicznych spowodowało, że w naszym
górnictwie powstało ich zaledwie kilka. Tańszą wersją metody suchej jest podawanie spoiwa
torkretnicą umieszczoną w odległości do max. 300 m od wypełnianego pasa. Do stanowiska
torkretnicy spoiwo transportowane jest tradycyjnymi środkami transportu dołowego. Metoda sucha
pozwala na zminimalizowanie wcześniej wspomnianego zjawiska przewodnienia spoiwa często
obserwowanego w warunkach dołowych w poprzedniej metodzie. Daje również możliwość pełnego
wykorzystania możliwości wysokosprawnych spoiw, których wodożądność (stosunek w/s) jest
stosunkowo niewielka i kształtuje się na poziomie 0,16-1,18. Spoiwa takie przy tak ograniczonej ilości
wody po 1 godzinie uzyskują wytrzymałość nawet na poziomie 5 MPa, przy wytrzymałości końcowej
nawet powyżej 50 MPa. Pierwsze próby ruchowe budowy pasów podsadzkowych w oparciu o
metodę suchą i wysokosprawne spoiwo Reapack prowadzone są od marca br. w Kopalni „Bogdanka”
(temat ten szczegółowo zostanie opisany w II części artykułu w następnym numerze). Kolejną,
pokrewną techniką zabezpieczania wyrobisk za ścianą jest wykonywanie indywidualnych podpór z
materiałów wiążących. Podpory takie w postaci kolumn o średnicy zazwyczaj w granicach 0,5 do 1,0
m wykonuje się poprzez wypełnienie worka wykonanego np. z płótna podsadzkowego materiałem
wiążącym, fot. 3. W KWK „Ziemowit”, gdzie metodę zastosowano po raz pierwszy w latach 90-tych
ubiegłego stulecia, używano betonu szybkowiążącego o handlowej nazwie Minbet.
8
Fot. 3. Widok wyrobiska
zabezpieczonego słupem betonowym
[mat. wewn. KWK „Ziemowit”]
Fot. 4. Kaszt z elementów
prefabrykowanych wyposażony w
worek z płótna przygotowany
do wypełnienia materiałem
wiążącym
Materiał zatłaczano za pomocą mieszalnika i podawarki
WUBET. Podpory betonowe, w zależności od
spodziewanych obciążeń budowano w rozstawie od 0,5
do 1,0 m pomiędzy łukami obudowy chodnikowej.
Wykonanie takiej podpory kolumnowej, ze względu na
punktowy
charakter
podparcia,
wymaga
wcześniejszego przygotowania pola pod zabudowę.
Polega to na zabudowie stojaków drewnianych
stanowiących rodzaj wzmocnienia w okresie wiązania
betonu oraz wykładki stropu drewnem dla uzyskania
bardziej równomiernego obciążenia podpory oraz
wyrównania i wyłożenia drewnem spągu. W ostatnim
okresie czasu powstała nowa koncepcja budowy
podpór betonowych poprzez wypełnianie szczelnych
kasztów z prefabrykatów z twardego drewna
(technologia opisana powyżej) materiałem wiążącym o
wysokich parametrach wytrzymałościowych. Także w
tym wypadku stosuje się dwie techniki wypełniania
kasztu – metodę mokrą lub suchą.
Materiał wiążący szczelnie wypełnia przestrzeń kasztu
i po związaniu pełni rolę podpory kolumnowej dla belki
stropowej. Takie technologie wymagają dodatkowego
uzbrojenia kasztu w worek lub jedynie „kaptur”
wykonany z płótna podsadzkowego, fot. 4. Na skalę przemysłową opisywana technologia, przy
podawaniu spoiwa metodą mokrą była stosowana był
jedynie w kopalniach JSW S.A.
Podobny efekt do wyżej opisanych wzmocnień
uzyskuje się poprzez budowanie podpór z gotowych
prefabrykatów
betonowych.
Prefabrykaty
takie
w postaci krążków układane jeden na drugim spełniają
podobną do wyżej opisanej funkcji. Ich zaletą jest
wczesne podejmowanie współpracy z górotworem
(pod warunkiem ich odpowiedniego oklinowania pod
stropem). Krążki żelbetowe zazwyczaj mają średnicę
zewnętrzną 0,5 m i wysokość 0,1 m. W środku
pozostawiony jest otwór o średnicy 0,1 m, który służy
do umieszczenia w nim stojaka drewnianego, co
ułatwia pionowe ułożenie krążków. Metoda ta jednak
w naszym górnictwie nie doczekała się szerszego
zastosowania.
Od lat 90-tych ubiegłego stulecia w polskim górnictwie
z powodzeniem stosuje się wzmocnienia obudowy
chodników z zastosowaniem obudowy kotwiowej [10].
W szczególnie trudnych warunkach w sytuacji
utrzymywania chodnika za ścianą, dość powszechnie
wykorzystuje się tzw. wysokie kotwienie. Zastosowanie
wysokonośnych
kotwi
strunowych,
często
przykatwiających odrzwia obudowy podporowej za pomocą podciągów, pozwala bowiem zrealizować
kilka celów jednocześnie, rys. 8. Przede wszystkim uzyskujemy wydatną poprawę stateczności
wyrobiska przed czołem ściany czyli w strefie ciśnień eksploatacyjnych, bez potrzeby zabudowy
tradycyjnych wzmocnień podporowych (stojaki i podciągi podpierane). Po drugie uzyskujemy
możliwość bezpodporowego utrzymania skrzyżowania ściana-chodnik. Wreszcie w sposób
9
Rys. 9. Sposób pracy łuku ociosowego połączonego
przegubowo
Rys. 8. Wzmocnienie chodnika podścianowego
podciągami przykatwianymi kotwiami strunowymi o
długości 6,0 m
zdecydowany poprawiamy warunki
utrzymania
wyrobiska
w
jednostronnym otoczeniu zrobów. W
tym ostatnim przypadku obudowa
kotwiowa spełnia rolę wieloraką:
wzmacniania
odrzwia
obudowy w taki sam sposób jak stojak,
nie zaburzając światła wyrobiska i nie
kolidując z ewentualną pobierką spągu
(stojaki na okres pobierki muszą zostać
zdemontowane),
zapobiega
rozwarstwianiu
belki stropowej nad wyrobiskiem,
przypina belkę stropową nad
wyrobiskiem do wyżej zalegających,
niedeformujących
się
lub
deformujących się w niewielkim
zakresie skał stropowych, co redukuje
wielkość ciśnień na obudowę.
Systemy
kotwiowe
wysokiego
i niskiego kotwienia są od wielu lat
z powodzeniem stosowane w kopalni
„Bogdanka”. Ich przydatność dla
wzmacniania wyrobisk w trudnych
warunkach tamtejszego górotworu
została potwierdzona w kilkudziesięciu
wyrobiskach
przyścianowych
w pokładach 382 i 385/2 na głębokości
900 - 950 m. Choć zapewne nie wyczerpano całkowicie tematu, to można przyjąć że powyżej opisane
metody należą lub należały do najczęściej aplikowanych w polskim górnictwie.
3. Pierwsze doświadczenia w utrzymaniu chodników przyścianowych za frontem ściany
w warunkach kopalni „Bogdanka” – lata 80-te XX stulecia [11]
Eksploatację węgla kamiennego w kopalni „Bogdanka” rozpoczęto w listopadzie 1982 roku. Do
roku 1990 stosowano wyłącznie w system ścianowy z zawałem „do pola”, w którym obydwa chodniki
przyścianowe
wykonywano
wraz
z
postępem
ściany
i
które
były
utrzymywane za czołem ściany. W systemie
tym podstawową rolę odgrywał problem
ochrony
i
utrzymania
chodników
przyścianowych
w
jednostronnym
otoczeniu
zrobów.
Był
to
problem
zasadniczy
nastręczający
od
samego
początku olbrzymich trudności. W związku
z tym od roku 1982 prowadzono liczne
eksperymenty i doświadczenia, które
doprowadziły do wypracowania z końcem
lat
80-tych
bardzo
kosztownych
i pracochłonnych, choć względnie skutecznych rozwiązań prowadzenia i utrzymania chodników
przyścianowych za ścianą w systemie „do pola”. Wypracowany w latach 1982-86 w kopalni
10
Rys. 10. Typowy przebieg zaciskania obudowy przegubowej w chodniku przyścianowym
„Bogdanka” system prowadzenia ścian „do granic” charakteryzował się m. in. następującymi
parametrami obudowy chodników przyścianowych:
chodniki drążone z minimalnym wyprzedzeniem ściany (do 8 m),
obudowa chodników przyścianowych była obudową kombinowaną na bazie kształtownika
V36 - stropnice dwuelementowe rozmiar ŁP-10, łuki ociosowe rozmiar ŁP-8,
rozstaw odrzwi obudowy wynosił najczęściej 0,5 m,
pas podsadzkowy ochraniający chodnik od zrobów wykonywany był z kasztu budowanego
z podkładów kolejowych staroużytecznych wypełnianego kamieniem, przelewanego
anhydrytem i dodatkowo wzmacnianego ciągami stojaków późnopodporowych
z kształtownika V, zabudowanych na prostkach z tego samego kształtownika,
Znaczny przekrój chodników przyścianowych jak na ówczesne standardy, pracochłonna technologia
drążenia i montażu obudowy, gdzie zarówno ładowanie urobku jak i wznoszenie obudowy
wykonywane były ręcznie, a także utrudnienia wynikłe z dużej koncentracji robót na skrzyżowaniu
ściana-chodnik, powodowały, że postęp drążenia chodników przyścianowych i zarazem postęp ściany
wynosił około 2,5 m/dobę. Zasadniczymi elementami stosowanego systemu ochrony i utrzymania
chodników przyścianowych za ścianą była tzw. obudowa przegubowa i wykonywany pas ochronny
wzdłuż chodników. W celu wyeliminowania niszczenia elementów odrzwi obudowy wskutek
zaciskania bocznego chodników w strefie silnych wpływów ciśnień eksploatacyjnych na odcinku do
ok. 40 m za frontem ściany, od strony calizny węglowej, lub od starych zrobów stosowane były
specjalne odrzwia obudowy chodnikowej, posiadające łuki ociosowe połączone przegubowo
z elementem stropnicowym (tzw. obudowa przegubowa). Obudowa ta pozwalała na przybierkę
(zwykle dwukrotną) wyciśniętego ociosu i odchylenie łuku ociosowego do pozycji wyjściowej. Zasadę
pracy tej obudowy oraz typowy przebieg zaciskania chodnika przyścianowego w takiej obudowie
przedstawiono na rys 9 i 10.
W 1987 roku w ścianie badawczej II (ściana 2/I w pokładzie 382) wykonano badania eksperymentalne
w zakresie optymalizacji konstrukcji pasa ochronnego chodnika od strony zawału.
Wykonano 4 odcinki próbne: z wąskim pasem (bez kasztu drewnianego) i z szerokim pasem z kasztem
drewnianym; obydwa warianty z przelewaniem anhydrytem oraz bez anhydrytu. Konstrukcje pasów
ochronnych w eksperymentowanych przypadkach przedstawiono na rys. 11.
11
Rys. 11. Różne sposoby ochrony chodnika przyścianowego stosowane w Kopalni „Bogdanka”
Z przeprowadzonych wyżej opisanych prób oraz z wcześniejszych doświadczeń wynikały następujące
wnioski:
zastosowanie kasztów drewnianych wypełnionych kamieniem oraz wzmocnionych za
pomocą rzędów stojaków z kształtownika V prowadziło do zdecydowanego zmniejszenia
konwergencji stropu oraz poprawy warunków utrzymania chodników przyścianowych.
zastosowanie przegubowych łuków ociosowych od strony calizny węglowej wyeliminowało
destruktywne oddziaływanie pełzającego ociosu i prowadziło do kilkukrotnego zmniejszenia
zaciskania poziomego oraz skutecznie zapobiegało deformacji obudowy w części stropowej
i ociosowej.
dalszą poprawę warunków utrzymania chodników przyścianowych dało zastosowanie spoiw
anhydrytowych do uszczelnienia kasztu oraz przestrzeni między kasztem a obudową.
Szczególnie poprawiało to pracę obudowy od strony zawału dając przy tym pełną izolację
zrobów.
Tylko system utrzymania chodników przyścianowych za ścianą oparty na trzech ww. elementach
zapewniał względną skuteczność ochrony chodników w stosowanym systemie eksploatacji „do pola”.
Końcową konstrukcję pasa ochronnego chodników przyścianowych stosowanego u schyłku lat 80-
tych przedstawiono na rys. 12. Ten skomplikowany sposób ochrony chodników stał się jednak jedną
z zasadniczych przyczyn odrzucenia systemu eksploatacji „do pola”, gdyż był hamulcem postępów
ścian. System ten charakteryzowała bowiem konieczność bardzo pracochłonnego i kosztownego
utrzymywania chodników przyścianowych po przejściu ściany, ze stosowaniem obudowy
z przegubowym łukiem ociosowym, z budową pasa ochronnego z kilku rzędów podciągów i stojaków
stalowych, z drewnianym kasztem wypełnianym spoiwem anhydrytowym. Ponadto zachodziła częsta
12
Fot. 5. Stan chodnika przyścianowego
ściany 1/I przed przebudową – 1984 rok
Rys. 12. Końcowa konstrukcja pasa
ochronnego w końcu lat 80-tych.
konieczność przybierania ociosu węglowego i pobierki spągu o łącznej objętości przekraczającej
często przekrój nowo drążonego chodnika, a nie rzadko także całkowita przebudowa chodnika, fot. 5.
Od 1990 roku dokonywano stopniowej zmiany sposobu eksploatacji z systemu „do pola”
z wykonywaniem chodników przyścianowych wraz ze ścianą i utrzymaniem tych chodników po
przejściu ściany, na system „od pola” z wcześniejszym wykonaniem chodników przyścianowych i ich
likwidacją wraz z postępem ściany. Zmiana systemu eksploatacji z „do pola”, na system „od pola”,
stała się punktem zwrotnym w zakresie możliwości wzrostu postępów ścian i zwiększenia wydajności
pracy w Lubelskim Węglu „Bogdanka” S.A.
System ten z jednokrotnym wykorzystaniem chodnika przyścianowego funkcjonuje od blisko 20 lat.
Dopiero obecna próba utrzymania chodnika przyścianowego za ścianą ma na celu modyfikację tego
systemu.
4. Podsumowanie
Dokonana powyżej analiza pozwala na wskazanie dwóch trendów w rozwoju technik
zabezpieczania wyrobisk utrzymywanych za frontem ściany. Pierwszym wyraźnym trendem jest
jednoczesne stosowanie kompleksu zabezpieczeń. Systemy takie zazwyczaj składają się z szeregu
zabezpieczeń podporowych i kotwiowych wykonywanych w świetle wyrobiska. Powszechnie stosuje
się tu stojaki stalowe i drewniane (czasem także poligony drewniane) podpierające odrzwia
bezpośrednio lub poprzez podciągi stalowe oraz kotwie prętowe i linowe przykatwiające odrzwia
i wzmacniające górotwór. Jednocześnie integralnym elementem systemów są pasy lub podpory ze
spoiw mineralnych podtrzymujące wspornikową belkę stropową od strony zawału. Drugi trend
dotyczy spoiw na bazie, których wykonywane są wspomniane pasy i podpory. W odpowiedzi na co
raz trudniejsze warunki złożowe i co raz większe postępy przodków ścianowych pojawiają się spoiwa
mineralne oparte o najnowocześniejsze technologie. Charakteryzują się one niezwykle krótkimi
czasami wiązania i bardzo intensywnym przyrostem parametrów wytrzymałościowych
i odkształceniowych. Należy podkreślić jednak, że w dobie minimalizacji kosztów, przy uwzględnieniu
często bardzo różnych warunków górniczo-geologicznych, nawet w obszarze jednej kopalni,
zastosowanie któregokolwiek sposobu zabezpieczenia wyrobisk utrzymywanych za frontem ściany,
wymaga dogłębnej analizy teoretycznej a niekiedy dodatkowo prób ruchowych.
13
Próby utrzymywania wyrobisk w warunkach górniczo-geologicznych Kopalni „Bogdanka”,
prowadzone w lach 80-tych ubiegłego stulecia, przyniosły jedynie połowiczny sukces. Zbyt podatne
zabezpieczenia prowadziły do znacznego zaciskania, które wymuszało kosztowne procesy naprawcze
wyrobisk. Z drugiej strony manualne metody wzmocnień nie współgrają z bardzo wysokimi
postępami przodków ścianowych w tej Kopalni. W rezultacie tych doświadczeń, przy jednoczesnym
zaangażowaniu ww. współczesnych środków technicznych, podjęto jednak ponownie próbę
utrzymania chodnika za ścianą. Próba ta prowadzona jest od marca bieżącego roku, a jej
dotychczasowe rezultaty zostaną szczegółowo opisane w II części artykułu.
Niniejszy artykuł opracowany został w ramach pracy statutowej nr 11.100.370
Literatura
1. Piechota S.: Podstawowe zasady i technologie wybierania kopalin stałych, Część I. Biblioteka
Szkoły Eksploatacji Podziemnej. Kraków 2003.
2. Gil H.: Teoretyczne uzasadnienie stosowania kolumn betonitowych zamiast pasów przy
systemie ścianowym z zawałem. „Przegląd Górniczy” 1962, nr 5.
3. Prusek S.: Wyznaczanie zależności do prognozowania zaciskania chodników przyścianowych.
Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Miesięcznik WUG, nr 1/2003.
4. Korzeniowski W.: Ocena stanu podziemnych wyrobisk chodnikowych i komorowych na
podstawie empirycznych metod badawczych. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Badawcze,
Kraków 2006, nr 156.
5. 5. Brinkmann E., Neveling F. Belastungsversuche mit Holzkasten und Holzopfeilern. Gluckauf
nr 100, 1964.
6. Nikitin W. D., Kryłow W.F., Seredenko M. I., Biełow W.P.: Razrabotka połogich I nakłonienych
płastow. Niedra, Moskwa 1976.
7. Korzeniowski W., Piechota S. Stachowicz S.: Obudowa mieszana chodników przyścianowych
w KWK „Bogdanka”. Wiadomości Górnicze 4/2000.
8. Andrusikiewicz W.: Optymalizacja parametrów anhydrytowego pasa podsadzkowego przy
wybieraniu węgla systemem ścianowym. Praca doktorska. AGH Kraków 1993.
9. Chudek M., Janiczek K., Plewa F.: Materiały w budownictwie geotechnicznym. Gliwice 2001
10. Stopyra M., Rak Z., Stasica J.: Kotew strunowa jako element wyrobisk korytarzowych w
polskich kopalniach węgla kamiennego. Przegląd Górniczy 9/2006, Katowice 2006.
11. Rak Z.:. Opracowanie wzmocnienia obudowy łukowej chodnika podścianowego ściany 1/VI
dla jego utrzymania w jednostronnym otoczeniu zrobów w pokładzie 385/2 Kopalni Lubelski
Węgiel "Bogdanka" S.A. Praca niepublikowana. Kraków, 2009.