1. Charakterystyka warunków górniczo - geologicznych

w otoczeniu wyrobiska.

1.1. Miejsce zalegania wyrobiska.

Wyrobisko zlokalizowane jest w kopalni ”KOKSIK”, w Rybniku. Jest nim główny chodnik odstawczy (transportowy) G - 6 na poziomie 700. Wyrobisko ma długość 880 m. i prowadzone jest w skałach kamienno - węglowych. Szerokość w świetle obudowy wynosi 5,5m, natomiast w wyłomie 5,8m.Wysokość wyrobiska w świetle obudowy wynosi 3,8m,

a w wyłomie 3,93m. Chodnik ten zlokalizowany jest na głębokości 680 m p.p.m. we wschodniej partii pokładu 606 (grupa warstw Brzeżna, warstwy porębskie).Wyrobisko to podparte jest obudową metalową łukową - podatną ŁP.

Złoże węgla kamiennego tej kopalni znajduje się w centralnej części niecki Chwałowickiej, zamkniętej od zachodu nasunięciem Michałkowickim, zaś od wschodu nasunięciem Orłowskim. Występują w nim warstwy załęskie, rudzkie, siodłowe i porębskie. Obszar górniczy KWK ”KOKSIK” zajmuje powierzchnie 20,39 km².W pobliżu kopalni znajdują się dwa osiedla mieszkaniowe, mały zbiornik wodny i niewielkie centrum z pawilonami handlowymi. W odległości ok.2 km od kopalni przepływa rzeka ”Nacyna”.

W części północno - wschodniej obszaru górniczego rośnie las liściasty.

1.2. Kategoria ochrony powierzchni.

Złoże zakwalifikowane zostało do II kategorii ochrony powierzchni, ze względu na wskaźniki deformacji, które dla tej właśnie kategorii mają następujące wartości:

• Nachylenie T [mm/m] ≤ 5,0

• Odkształcenie poziome ε [mm/m] ≤ 3,0

• Promień krzywizny R [km] ≥ 12

Kategoria terenu górniczego powinna uwzględniać ekstremalne deformacje, jakie wystąpią w rejonie obiektu w całym okresie ujawniania się wpływów eksploatacji górniczej.

1.3. Rodzaj skał stropowych i spągowych w otoczeniu wyrobiska.

Zarówno skałami spągowymi (których grubość wynosi 6 m), jak i stropowymi

(grubość 4 m) w bezpośrednim otoczeniu wyrobiska jest łupek ilasty. W przypadku skał stropowych jest to łupek ilasty charakteryzuje się średnim uławiceniem. Jego laboratoryjna wytrzymałość na ściskanie R_c wynosi 32 [MPa], na rozciąganie R_r = 2,53 [MPa], zwięzłość f jest równa 1,4, wskaźnik rozmakalności r wynosi 0,8, natomiast wskaźnik szczelinowatości RQD 60%.

W przypadku skał spągowych jest to łupek ilasty gęstouławicony. Jego laboratoryjna wytrzymałość na ściskanie R_c wynosi 11 [MPa], na rozciąganie R_r = 0,75 [MPa], zwięzłość

f jest równa 0,5, wskaźnik rozmakalności r wynosi 0,8, natomiast wskaźnik szczelinowatości RQD 60%.

1.4. Klasyfikacja skał stropowych według GIG.

Według klasyfikacji GIG skały stropowe zostały zaliczone do kategorii B_.

1.5. Profil skał otaczających wyrobisko.

Profil skał otaczających wyrobisko wygląda następująco, od góry: łupek piaszczysty, piaskowiec, łupek ilasty, węgiel, łupek ilasty.

Skały stropowe tworzą: łupek piaszczysty charakteryzujący się średnim uławiceniem o wytrzymałości na ściskanie R_c=42 [MPa], na rozciąganie R_r=3,23 [MPa] ,zwięzłości f=2,2, rozmakalności r=0,9; piaskowiec charakteryzujący się bardzo grubym uławiceniem o wytrzymałości na ściskanie R_c=80 [MPa], na rozciąganie R_r=6,16 [MPa], zwięzłości f=4,5, rozmakalności r=1; łupek ilasty charakteryzujący się średnim uławiceniem o wytrzymałości na ściskanie R_c=32 [MPa], na rozciąganie R_r=2,53 [MPa], zwięzłości f=1,4, rozmakalności r=1 i wskaźniku szczelinowatości RQD=60%.

Skały spągowe tworzy łupek ilasty. Parametry tej skały zostały scharakteryzowane powyżej.

1.6. Zagrożenia naturalne występujące w rejonie wyrobiska.

W rejonie wyrobiska stwierdzono występowanie trzech zagrożeń naturalnych: pyłowe, metanowe oraz zagrożenie tąpaniami.

• Pyłowe zakwalifikowano do pierwszej kategorii zagrożenia.

Pylenie do 1000 mg/1t wydobycia dobowego

• Zagrożenie metanowe zakwalifikowano do trzeciej kategorii. Stężenie wynosi

od 4,5 do 8 m³/Mg _CSW.

• Zagrożenie tąpaniami zakwalifikowano do drugiego stopnia. Oznacza to, że:

- część pokładów skłonna jest do tąpań, w których eksploatacja prowadzona jest w sposób zapobiegający powstawaniu koncentracji naprężeń i w których tąpania nie występowały w ostatnich dwóch latach prowadzenia nieprzerwanej eksploatacji w niezmienionych warunkach naturalnych i górniczo-technicznych,

- część pokładów skłonnych do tąpań odprężone przez wcześniejsze wybrane podsadzką hydrauliczną pokładu odprężającego, w których po odprężeniu tąpania nie występują i jeżeli odległość stropu pokładu odprężającego do spągu pokładu odprężonego przekracza sześciokrotną grubość pokładu odprężającego lub wybranej warstwy w tym pokładzie lub pokład odprężający zalega powyżej pokładu odprężonego.

1.7 .Występujące zaburzenia tektoniczne i sedymentacyjne.

W rejonie wyrobiska nie stwierdzono zaburzeń tektonicznych i sedymentacyjnych.

2. Charakterystyka zagrożeń naturalnych.

2.1. Zagrożenie pyłowe

Charakterystyka ogólna

Zapylenie powietrza w kopalni wynika z czynników technologicznych (sposoby i intensywność prowadzenia robót górniczych) oraz z niektórych właściwości naturalnych eksploatowanych pokładów węglowych (skłonność do pylenia). Rzeczywiste zapylenie powietrza w wyrobiskach zależy od efektywności stosowanych w kopalni sposobów i środków walki z pyłem. Dla liczbowego scharakteryzowania stanu zapylenia wyrobisk wykorzystuje się następujące wielkości:

Pylenie jednostkowe zmienia się w bardzo szerokich granicach: od 50 do 1000 g/t; dla warunków umiarkowanych wynosi ono 100 do 200 g/t. Przy pracy maszyn urabiających z wydajnością od 0,5 do 1,0 t/min intensywność pylenia w ścianie jest równa od 50 do 200g/min. Oznacza to, że przy dostarczaniu do ściany powietrza w ilości od 600 do 800 m³/min zapylenie przodku dochodzi do 100 do 300 mg/m³.

Stopień zapylenia wyrobisk górniczych zależy od czynników naturalnych: własności fizykochemicznych urabianej masy; jej wilgotności i struktury; sposobu urabiania skały i węgla; parametrów konstrukcyjnych maszyn górniczych i organów skrawających, sposobu i intensywności wentylacji wyrobiska itd.

Prognozowanie

Prognozowanie warunków zapylenia wyrobisk ma znaczenie dla znalezienia skutecznych sposobów walki z pyłem, a także dla określenia parametrów konstrukcyjnych maszyn urabiających ścianowych i chodnikowych w celu zminimalizowania pylenia. Znane są metody wyprzedzającej oceny zapylenia powietrza dla podstawowych procesów technologicznych w kopalniach: przy wierceniu, przy robotach strzelniczych, przy kruszeniu węgla i skał w wyniku urabiania kombajnem w przodkach wydobywczych i przygotowawczych, przy ładowaniu urobku, przy przesuwaniu obudowy zmechanizowanej.

Klasyfikacja kopalń według intensywności pylenia

Kategoria I

Pylenie do 1000 mg/1t wydobycia dobowego

Kategoria II

Pylenie od 1000 do 5000 mg/1t wydobycia dobowego

Kategoria III

Pylenie od 5000 do 20000 mg/1t wydobycia dobowego

Kopalnie o kategorii najwyższej

Pylenie powyżej 20000 mg/1t wydobycia dobowego

Podziału kopalń na kategorie zapylenia dokonuje się przy uwzględnieniu dwóch podstawowych procesów technologicznych - wiercenia i ładowania - którym towarzyszy względnie nieprzerwane pylenie.

2.2.Zagrożenia metanowe

Charakterystyka ogólna

Wybuchy gazów i pyłu węglowego należą do zasadniczych zagrożeń w górnictwie węglowym. Częstość wybuchów metanu, gazów pożarowych i pyłu węglowego w naszych kopalniach systematycznie maleje, ale jednak powodują one największe katastrofy pociągające za sobą dużą liczbę ofiar.

Metan - CH₄ jest gazem bez barwy, smaku i zapachu, o względnym ciężarze właściwym, o gęstości 0,716 g/cm³.

Metan w pokładach węglowych powstał i powstaje, podobnie jak dwutlenek węgla, w czasie uwęglania roślinnej substancji organicznej, z której powstały pokłady węgla. Metan zawarty w pokładach węgla występuje w postaci gazu zasorbowanego, tj. gazu związanego fizyko-chemicznie z węglem oraz występuje jako gaz swobodny zawarty w porach i szczelinach węgla. Wydzielanie metanu do wyrobisk górniczych może występować na drodze:

• Powolnego wydzielania się z odkrytej calizny złoża węgla bez żadnych objawów akustycznych

• Wzmożonego wydzielania z calizny węglowej, charakteryzującego się nieregularnym szumem i lekkimi trzaskami, spowodowanymi pękaniem banieczek gazu i wody w przypadku pokładów wilgotnych

• Gwałtownego wydzielania metanu ze szczelin w postaci tzw. "fukaczy”

• Nagłych wyrzutów metanu i skał w najbardziej gazowych pokładach węgla i soli

Metan występuje również w skałach płonnych, tj., piaskowcach, łupkach i wapieniach, towarzyszących pokładom węgla. Zawartość jego w tych skałach jest pochodzenia wtórnego. Po wypłynięciu z pokładów węgla, metan wypełnia wolne przestrzenie i pory w tych skałach. Występowanie metanu w skałach płonnych, jak i w pokładach węgla, towarzyszyć mogą inne gazy: etan, wodór oraz wyższe węglowodory. Z gazów niepalnych występują razem z metanem dwutlenek węgla i azot. Najłatwiej zapala się mieszanina powietrzno - metanowa o zawartości około 8% CH₄. Charakterystyczne dla metanu jest jego własność zapalania się od źródła o wysokiej temperaturze. Proces ten nie zachodzi od razu, lecz z pewnym opóźnieniem. Ta własność metanu posiada duże praktyczne znaczenie dla bezpieczeństwa przy prowadzeniu robót strzelniczych w kopalniach gazowych.

Temperatura zapłonu tego gazu mieści się w przedziale od 650°C do 750°C i uzależniona jest od zawartości metanu w powietrzu, składu powietrza kopalnianego, ciśnienia i temperatury źródła zapłonu. W warunkach normalnych dolna granica zawartości metanu, przy której możliwy jest wybuch, wynosi od 5-6%, zaś górna granica od 14-16%.

Prognozowanie

Zakres wykorzystania prognoz metanowości dla celów praktycznych jest duży. Prawidłowe jej obliczanie pozwala na właściwy dobór modelu kopalni, rozcinki, wentylatorów górniczych itd. Wydaje się celowe podkreślenie znaczenia prognozy także dla klasyfikacji pokładów pod względem metanowości oraz przy klasyfikacji poszczególnych wyrobisk górniczych w polach metanowych do odpowiednich stopni niebezpieczeństwa wybuchu.

Wyróżnia się cztery kategorie zagrożenia metanowego:

Kategoria metanowość względna, m³/t

I <5

II 5-10

III 10-15

IV >15

Kryterium obowiązującym dla ustalenia kryterium kategorii metanowości jest metanowość pokładu. Określa się ją na podstawie metanonośności ociosowej.

Metody pomiaru metanu

- metanomierze interferencyjne

• Szi-3

• Riken

• MG1 i MG3

- metanomierze żarowe

- wykrywacze z rurkami wskaźnikowymi

2.3. Zagrożenie tąpaniami

Charakterystyka ogólna.

Zjawisko tąpania polega na dynamicznym zmiażdżeniu calizny węglowej, spowodowanej przekroczeniem naprężeń krytycznych węgla. Tąpanie połączone jest z przemieszczeniem się mas węglowych do wyrobisk górniczych, ich częściowym zasypaniem i zniszczeniem. Zagrożenie tąpaniami uznać należy za jedno z najbardziej groźnych dla bezpieczeństwa pracy w górnictwie i niestety - dzisiaj jeszcze niecałkowicie opanowanym.

Prognozowanie

Niewątpliwie pierwszorzędne znaczenie w zagrożeniu tąpaniami ma głębokość prowadzenia robót i związany z tym naturalny wzrost ciśnień. Zagrożenie tąpaniami rośnie z głębokością i ten czynnik naturalny może być uważany, jeśli nie za decydujący, to przynajmniej za bardzo ważny w prognozie zagrożenia.

Pozostawienie nie wybranych nóg, wysp, filarów powoduje przenoszenie przez nie skoncentrowanych ciśnień. Prowadzenie więc eksploatacji w pokładach znajdujących się w sąsiedztwie takich „partii ciśnieniowych” powinno być traktowane jako wejście w sferę podwyższonego zagrożenia.

Warunkiem możliwie bezpiecznego prowadzenia robót górniczych w pokładach zagrożonych tąpaniami jest stosowanie w nich odpowiednio rozbudowanego systemu przewidywania tąpań. Obejmuje on:

• Metody wiercenia otworów kontrolujących stan zagrożenia

• System obserwacji zjawisk zachodzących w przodkach

• Określania energetycznego wskaźnika skłonności węgla do tąpań.

• Metody sejsmologiczne i sejsmoakustyczne

Prognozowanie tąpań sprowadza się do:

- właściwej oceny stanu zagrożenia tąpaniami, opartej na znajomości właściwości fizykomechanicznych skał, analizie zespołu warunków geologicznych,

- przewidywanie sytuacji górniczych, w których należy liczyć się w warunkach pokładów tąpiących z wystąpieniem podwyższonego zagrożenia,

- prowadzenie systemu obserwacji umożliwiającej na czas otrzymania sygnału uprzedzającego o nadchodzącym tąpnięciu .

Sposoby walki z tąpaniami:

- stosowanie odpowiednich systemów rozcinki, eksploatacji i właściwej obudowy wyrobisk,

- odprężenie pokładu przez wcześniejszą eksploatację mniej zagrożonego pokładu sąsiadującego

- stosowanie specjalnych metod unikania lub zmniejszania skutków tąpań.

3. Charakterystyka zastosowanej obudowy.

Chodnik transportowy G - 6 zabezpieczony jest obudową metalową typu ŁP10, ponieważ wyrobisko to narażone jest na ciśnienia dynamiczne. Jest to obudowa podporowa (elementy przejmują ciśnienie górotworu przez jego podparcie), odrzwiowa. Odrzwia obudowy ŁP to kształtowniki stalowe walcowane na gorąco o profilu korytkowym V. W przypadku chodnika G - 6 jest to kształtownik V25 typoszeregu A. Liczba przy symbolu oznacza przybliżoną masę jednostkową kształtownika (kg/1mb) a typoszereg A charakteryzuje się tym, że proste odcinki łuków ociosowych odrzwi, wielkości większej niż 6, są prostopadłe do spągu. W chodniku G - 6 zastosowane odrzwia zwykłe składające się z trzech elementów: dwóch łuków ociosowych i jednego łuku stropnicowego. Elementy te są połączone na zakładkę i skręcone strzemionami. Połączenie takie nosi nazwę zamka. Łuki stropnicowe posiadają jednakowy promień krzywizny na całej długości. W wyniku obciążenia górotworem i przemieszczania się konturu w kierunku wyrobiska może następować zsuwanie elementów odrzwi na złączach i zmniejszanie przekroju wyrobiska, ale kształt łukowy powinien być zachowany. Stąd nazwa obudowa łukowa podatna.

Obudowa stalowa podatna z łuków korytkowych

1 - stojaki, 2 - stropnica, 3 - strzemiona, 4 - stopa, 5 - okładziny, 6 - rozpory

Tak więc obudowę łukową wyrobisk korytarzowych stanowią odrzwia oraz następujące elementy nośne:

- elementy zamka - strzemiona

- stopy podporowe

- rozpory międzyodzwiowe

- elementy okładzinowe - opinka między odrzwiami oraz wykładka między opinką a

konturem wyrobiska w wyłomie.

Do połączenia elementów odrzwi w chodniku G - 6 zastosowano strzemiona dwujarzmowe typu SD25.

Przykład takiego strzemiona przedstawia schemat poniżej:

Masy poszczególnych elementów strzemiona przedstawione są w tabeli poniżej:

Rodzaj	Typ	Jarzmo górne	Jarzmo dolne	Śruba	Nakrętka	Razem	Komplet
				Masa [kg]
	SD21	SDD	2,50	2,70	0,30x2	0,10x2	6,00	11,40
		SDG	1,90	2,70	0,30x2	0,10x2	5,40
	SD25	SDD	3,00	2,75	0,30x2	0,10x2	6,55		12,45
		SDG	2,35	2,75	0,30x2	0,10x2	5,90
	SDO25	SDOD	2,25	2,75	0,45x2	0,10x2	5,80		11,10
		SDOG	1,75	2,75	0,45x2	0,10x2	5,30
	SD29	SDD	3,00	3,70	0,45x2	0,10x2	8,60		16,80
		SDG	3,40	3,70	0,45x2	0,10x2	8,20
	SDO29	SDOD	2,80	3,70	0,45x2	0,10x2	7,60		14,90
		SDOG	2,50	3,70	0,45x2	0,10x2	7,30
	SD36	SDD	4,70	4,70	0,45x2	0,10x2	10,50		30,80
		SDS	4,35	4,70	0,45x2	0,10x2	10,15
		SDG	4,35	4,70	0,45x2	0,10x2

Spąg wyrobiska tworzą skały o niskich parametrach wytrzymałościowych (łupek ilasty, R_C=11 MPa), dlatego odrzwia należy posadowić na stopach podporowych, które umieszczone są w wykutych gniazdach. Stojaki chodnika G - 6 posadowione są na stopach podporowych tłoczonych, lekkich. Składają się one z blachy oporowej (kształt prostokąta) o grubości 7-10 mm oraz 12-15 mm, w której wytłoczone są stabilizatory.

Przykład takich stóp przedstawiony jest na schemacie poniżej:

Stopy zapobiegają wciskaniu elementów stojakowych w spąg, wykorzystuje się rzeczywistą nośność obudowy i ogranicza zmniejszenie przekroju wyrobiska.

Rozpory to prętowe elementy konstrukcyjne służące to stabilizacji odrzwi w kierunku osi wyrobiska. W chodniku G - 6 są to rozpory typu RZGs. Usztywnianie odrzwi rozporami jest konieczne w przypadku sąsiedztwa przodku, gdzie nie obciążone odrzwia mogą ulegać zwichrowaniu , np.: w wyniku robót strzałowych. Rozpory rozmieszczone są na całym obwodzie odrzwi w odstępach co 1,2m. Rozpory stanowią trwały element zespalający odrzwia obudowy, poprawiają ich stabilność i wytrzymałość.

Okładzinę obudowy ŁP10/V25/A stanowią płaskowniki betonowe zbrojone stalowymi drutami układane ażurowo:

Puste przestrzenie między opinką a obrysem wyrobiska w wyłomie wypełnia się bryłami skalnymi lub spoiwem wiążącym, co zapewnia lepszą współpracę obudowy z górotworem. Wypełnienie takie nazywa się wykładką. W przypadku chodnika G - 6 wykładkę wykonano ręcznie bryłami skalnymi.

Przykład kompletnie wyposażonego wyrobiska w obudowie ŁP przedstawia schemat poniżej:

4.Podsumowanie i wnioski

Po przeanalizowaniu warunków górniczo - geologicznych i wykonaniu stosownych obliczeń stwierdzam, że w głównym chodniku transportowym G - 6 można zastosować obudowę metalową łukową - podatną typu ŁP10/V25/A. Rozstaw odrzwi nie może być większy niż 0,52m, rozpory typu RZGs muszą być rozmieszczone na całym obwodzie wyrobiska co 1,2m a okładzina będzie wykonana z płaskowników betonowych zbrojonych prętami stalowymi układanych ażurowo. Tak nieduży odstęp pomiędzy odrzwiami wymusza przede wszystkim zagrożenie tąpaniami oraz fakt, że jest to główny chodnik transportowy, którego żywotność oszacowano na co najmniej 10 lat. Dla polepszenia współpracy obudowy z górotworem będzie wykonana wykładka ręczna z bloków skalnych.

Niskie parametry wytrzymałościowe skał spągowych (łupek ilasty gęsto uławicony,

R_C=11 MPa) wymusiły zastosowanie stóp podporowych, lekkich, tłoczonych pod łuki ociosowe.

Tak kompleksowo dobrana obudowa powinna zapewnić chodnikowi G - 6 stateczność na minimum 10 lat.

Literatura i inne źródła:

1. CHUDEK M.: Obudowa wyrobisk górniczych, cz. I. Śląsk 1986.

2. PIECHOTA S.: Podstawy górnictwa kopalin stałych. Kraków 1996.

3. PIECHOTA S.: Podstawowe zasady i technologie wybierania kopalin stałych, cz. I.

Kraków 2003.

4. TAKUSKI S., MACIEJASZ Z., GAJOCH K., PICHOTA S., WZIĘTEK B.: Górnictwo.

Materiały do ćwiczeń dla studentów pionu górniczego. Kraków 1980.

5. Witryna internetowa Huty Łabędy w Gliwicach.

Akademia Górniczo - Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

14

Dobór obudowy podporowej dla wyrobiska korytarzowego w kopalni węgla kamiennego ”KOKSIK”

---