AGH - Wydz. GiG – Katedra Ekonomiki i Zarządzania
w Przemyśle w Krakowie
Przedmiot: Projektowania robót górniczych
PROJEKT PRZEKROJU WYROBISKA KORYTARZOWEGO
Bartosz Grzesiak
Studia niestacjonarne GiG EZSM Rok IV gr. 2
2013/2014
2
Spis treści:
Dobór odrzwi obudowy łukowej- podatnej metodą minimalnych obrysów............................... 7
Rodzaj urządzeo przewidzianych do montażu w projektowanym wyrobisku. .................... 8
Sprawdzenie ilości przepływającego powietrza dla dobranej obudowy ŁP10/V29/A. ..... 12
Sprawdzenie warunków ze względu na prędkośd przepływu powietrza. ......................... 12
3
I.
Metoda techniczna tzw. Minimalnych obrysów.
1. Dane projektowe.
Do obliczenia ostatecznej wartości przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego
dla zadanych warunków górniczo-technicznych, niezbędne będzie zastosowanie
następujących danych obliczeniowych:
Ilość torów:
2 szt.
Prześwit torów:
s = 900 [mm]
Rodzaj lokomotywy:
Lep – 14
Rodzaj wozów:
D. 5,5 [m
3
]
Natężenie przepływu objętości wody w ścieku:
q
v
= 15 [m
3
/min]
Tangens nachylenia ścieku:
i = 0,004
Ilość powietrza przepływającego wyrobiskiem:
Q = 35 [m
3
/s]
2. Projektowanie ścieku kopalnianego.
Dobór ścieku kopalnianego prostokątnego następuje w oparciu o normę PN-75/G-
52280, której przedmiotem są zasady projektowania ścieków kopalnianych dołowych. Norma
ta określa sposób obliczania natężenia przepływu wody, podaje wymiary ścieku, ustala rodzaj
i grubość obudowy ścieku, określa rodzaje materiałów do obudowy oraz określa warunki
sytuowania ścieku w wyrobisku.
Dla warunków projektowych dobór ścieku nie jest dowolny, lecz ma narzucony
zdefiniowany rygor w postaci minimalnej wartości natężenia przepływu objętości wody
w ścieku równej q
v
= 15 [m
3
/min]. Oznacza to, że ściek kopalniany należy zaprojektować tak,
aby uzyskany przepływ objętości wody był większy, lub co najmniej równy wartości
q
v
narzuconej w projekcie.
Na podstawie nadmienionej normy PN-75/G-52280 oraz mając na uwadze minimalną
wartość przepływu objętości wody w ścieku równą q
v
= 15 [m
3
/min] dobieram ściek
kopalniany prostokątny o wielkości 4, wykonany z cegły lub betonitów, mający następujące
wymiary:
Użyteczna szerokość ścieku 60 [cm]
Użyteczna wysokość ścieku 65 [cm]
Grubość ścianek 25 [cm]
Grubość dna 12 [cm]
4
Rys. 1 Ściek kopalniany prostokątny
Wielkość
ścieku
Użyteczna
szerokość
ścieku (a)
Użyteczna
wysokość
ścieku (b)
Powierzchnia
użyteczna ścieku
czystego (F)
Powierzchnia
użyteczna ścieku
zamulonego
(F
30%
)
Grubość
ścianek
Grubość
dna
Z cegły lub z
betonitów
[cm]
[cm]
[m
2
]
[m
2
]
[cm]
[cm]
4
60
65
0,39
0,273
25
12
Tab. 1 Zestawienie wymiarów wybranego ścieku kopalnianego prostokątnego.
2.1. Obliczenia dla ścieku czystego:
Powierzchnia użyteczna ścieku (F):
Gdzie:
a- Użyteczna szerokość ścieku [m]
b- Użyteczna wysokość ścieku [m]
Zwilżony obwód ścieku (P):
Promień hydrauliczny (R):
5
Znormalizowany współczynnik zależny od materiału tworzącego ścianki i dno
ścieku (φ):
Wartość współczynnika φ przyjmowana jest w oparciu o normę PN-75/G-52280
w zależności od materiału tworzącego ścianki i dno ścieku. W projekcie przyjąłem,
że materiałem tym jest cegła, dla której przyjmuje wartość:
Współczynnik wg. Wzoru Bazina (c):
√
√
Prędkość przepływu wody (V):
√ *
+
√ *
+
Maksymalne natężenie przepływu wody w ścieku (Q
v
):
[
]
[
]
Właściwy dobór ścieku zapewni spełnienie następującej nierówności:
Gdzie:
q
v
- minimalne natężenie przepływu wody w ścieku
*
+
Q
v
- maksymalne natężenie przepływu wody w danym ścieku
*
+
[
] [
]
Nierówność jest spełniona zatem ściek nr 4 gdy jest czysty spełnia wymagania projektowe.
6
2.2. Obliczenia dla ścieku zamulonego w 30%:
Użyteczna wysokość ścieku (b’):
Powierzchnia użyteczna ścieku (F’):
Gdzie:
a- użyteczna szerokość ścieku [m]
b’- użyteczna wysokość ścieku zamulonego [m]
Zwilżony obwód ścieku (P):
Promień hydrauliczny (R’):
Znormalizowany współczynnik zależny od materiału tworzącego ścianki i dno
ścieku (φ):
Wartość współczynnika φ przyjmowana jest w oparciu o normę PN-75/G-52280
w zależności od materiału tworzącego ścianki i dno ścieku. W projekcie przyjąłem,
że materiałem tym jest cegła, dla której przyjmuje wartość:
Współczynnik wg. Wzoru Bazina (c’):
√
7
√
Prędkość przepływu wody (V):
√ *
+
√ *
+
Maksymalne natężenie przepływu wody w ścieku zamulonym w 30% (Q
v
’):
[
]
[
]
Właściwy dobór ścieku zapewni spełnienie następującej nierówności:
Gdzie:
q
v
- minimalne natężenie przepływu wody w ścieku
*
+
Q
v
’- maksymalne natężenie przepływu wody w danym ścieku
*
+
[
] [
]
Nierówność jest spełniona, zatem ściek nr 4 gdy jest zamulony w 30% spełnia
wymagania projektowe.
3. Dobór odrzwi obudowy łukowej- podatnej metodą minimalnych
obrysów.
Metoda minimalnych obrysów polega na wyznaczeniu minimalnej wysokości
i szerokości wyrobiska w oparciu o zastosowane maszyny i urządzenia w tym wyrobisku.
W tej metodzie należy zsumować wszystkie szerokości urządzeń oraz minimalne odstępy
ruchowe pomiędzy tymi urządzeniami i odstępy ruchowe pomiędzy urządzeniami i obudową
chodnikową.
W pierwszym etapie należy dobrać odpowiednie wyposażenie użytkowe
projektowanego wyrobiska. Kolejnym krokiem jest ustalenie wymiarów ruchowych środków
transportu i urządzeń według danych zawartych w kartach katalogowych. Następnie
8
wyznacza się bezpieczne odstępy ruchowe dla środków transportu. Na tej podstawie należy
oszacować minimalną szerokość użyteczną wyrobiska oraz minimalną szerokość odrzwi przy
spągu ze względu na posadowienie torów i ścieku dla wody. Ostatnim etapem jest ustalenie
potrzebnej wysokości wyrobiska. Wreszcie, dobiera się ostateczną wielkość drzwi wyrobiska
w oparciu o wartości znormalizowane.
3.1. Rodzaj urządzeń przewidzianych do montażu w projektowanym
wyrobisku.
A. Torowisko kopalniane
a) Szyny:
Ze względu na wymagany minimalny rozstaw torów, dobór podkładów kolejowych
o odpowiednich wymiarach optymalne będą szyny o oznaczeniu S-24. Na potrzeby projektu
należy wymienić następujące wymiary:
Rys. 2 Szyna S24
Wysokość szyny (H):
115 [mm]
Szerokość stopki szyny (B):
90 [mm]
Szerokość główki szyny (C):
53 [mm]
Grubość szyjki szyny (S): 10 [mm]
b) Tory:
Dla warunków projektowych wymagane są dwa torowiska o prześwicie 900 [mm]
każde, zgodnie z normą PN-80/G-46000.
Rys. 3 Schemat prześwitu torów w kopalniach podziemnych
Szerokość torów (S):
900 [mm]
9
c) Podkłady kolejowe:
Ze względu na wymaganą szerokość torów, należy dobrać podkład kolejowy
o następujących wymiarach:
Szerokość podkładu:
200 [mm]
Wysokość podkładu:
140 [mm]
Długość podkładu:
1600 [mm]
d) Lokomotywa:
Wymagania projektu narzucają użycie lokomotywy elektrycznej przewodowej,
o rozstawie szerokości kół na osiach równym 900 [mm]. Główne parametry oraz podstawowe
wymiary lokomotywy elektrycznej zasilanej z sieci trakcyjnej, przeznaczonej do pracy
w kopalniach podziemnych zostały ujęte w normie PN-89/G-46801. Na potrzeby projektu
dobrana została lokomotywa LEP-14/2A. Jej główne parametry i wymiary wynoszą:
Rys. 4 Schemat lokomotywy elektrycznej przewodowej zasilanej z sieci trakcyjnej
Nominalna masa użyteczna:
14 [Mg]
Maksymalna szerokość lokomotywy:
1350 [mm]
Długość lokomotywy:
6000 [mm]
Wysokość lokomotywy:
1650 [mm]
Rozstaw osi:
2000 [mm]
Rozstaw kół na osiach:
900 [mm]
e) Wozy kopalniane:
Projekt narzuca minimalną objętość skrzyni załadowczej wozów równą 5,5 [m
3
]
jak i rozstaw kół na osiach równy 900 [mm]. Wymagania te spełniają wozy duże ze skrzynią
stałą opisane w normie PN-63/G-46080. Dla przyjętego wozu zestawiam najistotniejsze
parametry mające później wpływ na minimalną szerokość wyrobiska:
Pojemność nominalna skrzyni:
5,53 [m
3
]
Szerokość wozu:
1330 [mm]
Wysokość wozu:
1600 [mm]
Długość wozu:
4100 [mm]
Rozstaw osi:
1600 [mm]
Rozstaw kół na osiach:
900 [mm]
10
Rys. 5 Duży wóz kopalniany ze stałą skrzynią (PN- 63/G-46080)
3.2. Dobór przekroju poprzecznego symetrycznego.
a) Ustalenie minimalnej szerokości użytecznej wyrobiska (A
min
):
Minimalna szerokość przejścia dla ludzi:
70 [cm]
Wymiar najszerszego elementu taboru kolejowego: 135 [cm]
Odstęp ruchowy między taborami:
25 [cm]
Odstęp ruchowy między taborem a ociosem:
25 [cm]
Dopuszczalne odchylenie szerokości użytkowej:
5 [cm]
Razem: 395 [cm]
+5% na zaciśnięcie obudowy wyrobiska:
19,75 [cm]
∑
b) Sprawdzenie szerokości wyrobiska ze względu na posadowienie podkładów
kolejowych i zabudowy ścieku (S
min
):
Odległość ścieku od obudowy:
65 [cm]
Szerokość ścieku nr 4 wraz z jego obudową:
110 [cm]
Minimalna dopuszczalna odległość podkładu od ścieku:
10 [cm]
Minimalna dopuszczalna odległość między podkładami:
10 [cm]
Minimalna dopuszczalna odległość podkładu od ociosu:
25 [cm]
Szerokość podkładów kolejowych:
160 [cm]
Dopuszczalne szerokości wyrobiska w świetle:
5 [cm]
Razem: 545 [cm]
∑
11
c) Ustalenie minimalnej wysokości wyrobiska (H
min
):
Wysokość szyny:
11,5 [cm]
Wysokość zawieszenia sieci trakcyjnej:
220 [cm]
Minimalny odstęp zawieszenia przewodu sieci od stropu niepalnego:
5 [cm]
Dopuszczalne odchylenie wysokości wyrobiska:
5 [cm]
Razem: 241,5 [cm]
+5% na zaciśnięcie obudowy wyrobiska:
12,1 [cm]
∑
d) Dobór przekroju poprzecznego wyrobiska:
Na podstawie uzyskanych wyników, tj:
Minimalna użyteczna szerokość wyrobiska (A
min
):
414,75 [cm]
Szerokość wyrobiska przy spągu (S
min
):
545 [cm]
Minimalna wysokość wyrobiska (H
min
):
253,6 [cm]
oraz normę PN-90/G-06010 i PN-93/G-15000/02 dobieram obudowę ŁP10/V29/A
posadowioną na stopie stalowej. Poniżej zestawiam najważniejsze wymiary obudowy:
Rys. 6 Schemat obudowy Łukowej Podatnej
Wielkość odrzwi: 10
Szerokość użyteczna odrzwi (A):
537 [cm]
Szerokość przy spągu (s):
550 [cm]
Wysokość odrzwi obudowy(w):
380 [cm]
Wysokość wyrobiska w świetle (h):
355 [cm]
Wysokość odcinka prostego łuków ociosowych (Z):
83 [cm]
Promień łuku ociosowego (R
1
):
307,5 [cm]
Promień łuku stropnicowego(R
2
):
265 [cm]
Długość zakładki łuku ociosowego i stropnicowego (C):
55 [cm]
Powierzchnia przekroju poprzecznego odrzwi w świetle:
17,57 [m
3
]
12
3.3. Sprawdzenie ilości przepływającego powietrza dla dobranej obudowy
ŁP10/V29/A.
Ilość powietrza przepływającego wyrobiskiem obliczamy ze wzoru:
*
+
Gdzie:
Q – ilość powietrza przepływającego wyrobiskiem
*
+
F – pole przekroju poprzecznego wyrobiska
Zadana w projekcie ilość powietrza, która przepływa wyrobiskiem wynosi
*
+.
Wobec tego:
*
+
3.4. Sprawdzenie warunków ze względu na prędkość przepływu powietrza.
Dla odpowiednio dobranej obudowy powinien być spełniony warunek:
Gdzie:
najmniejsza dopuszczana przepisami prędkość powietrza równa
*
+
zalecana prędkość przepływu powietrza równa *
+
maksymalna prędkość przepływu powietrza dopuszczona przepisami równa
*
+
Nierówność wygląda następująco:
*
+
Nierówność jest prawdziwa, wobec tego kryterium wentylacyjne dla obudowy
ŁP10/V29/A jest spełnione.
13
II.
Metoda analityczna.
Metoda analityczna jest rachunkową metodą określania konkretnych parametrów
górniczo- technicznych, ekonomicznie najdogodniejszych pod względem kosztów własnych.
Polega ona na ujęciu matematycznym ilościowych zależności pomiędzy tymi parametrami
a wskaźnikami kosztów w celu wyznaczenia jednostkowych kosztów całkowitych.
Jednostkowy koszt całkowity wyrobiska k
c
obliczany jest na podstawie trzech
składników:
Gdzie:
koszt drążenia wyrobiska [zł]
koszt utrzymania wyrobiska [zł]
koszt przewietrzania wyrobiska [zł]
1. Dane projektowe.
Do obliczenia i określenia konkretnych parametrów górniczo- technicznych,
ekonomicznie najdogodniejszych pod względem kosztów własnych, niezbędnym będzie
użycie następujących danych obliczeniowych:
Współczynnik uwzględniające koszty niezależne od przekroju wyrobiska (a):
*
+
Współczynnik uwzględniające koszty zależne od przekroju wyrobiska (b):
*
+
Współczynnik zależny od rodzaju obudowy wyrobiska (a’):
*
+
Współczynnik oporu aerodynamicznego (α):
*
+
Wielkość przekroju poprzecznego wyrobiska (S):
Współczynniki zależne od rodzaju skał stropowych i spągowych (f
1
, f
2
):
2. Koszt drążenia wyrobiska.
Koszt drążenia wyrobiska obliczam na podstawie zależności:
[
]
Gdzie:
koszt drążenia 1
wyrobiska *
+
przekrój poprzeczny wyrobiska
Brakującą wartością jest koszt drążenia 1 [m
3
] wyrobiska, otrzymuje się ją
z następującego wzoru:
14
[
]
Podstawiając otrzymuję:
(
) [
]
[
]
Porównawcze koszty drążenia wyrobisk o różnych przekrojach podano w Tabeli 2.
S [m
2
]
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
k [zł/mb]
835
960
1085
1210
1335
1460
1585
1710
1835
1960
2085
2210
2335
2460
Tab. 2 Zestawienie kosztów drążenia wyrobisk w zależności od wielkości przekroju poprzecznego
15
Wyk. 1 Jednostkowy koszt drążenia wyrobiska
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
k [zł/mb
]
S [m
2
]
Jednostkowy koszt drążenia wyrobiska
k
16
3. Utrzymanie wyrobiska.
Koszt utrzymania wyrobiska obliczam z zależności:
[
]
Gdzie:
r – koszt utrzymania 1mb wyrobiska w ciągu roku
*
+
l – długość wyrobiska [m]
t – czas utrzymania wyrobiska [lat]
Koszt utrzymania 1 mb wyrobiska w ciągu roku obliczamy ze wzoru:
[
]
Gdzie:
współczynnik zależny od rodzaju skał stropowych i spągowych wg.
Klasyfikacji Protodiakonowa
.
Podstawiając otrzymuję:
[
]
Dla czasu utrzymania wyrobiska t=4 lata:
[
]
Dla czasu utrzymania wyrobiska t=8 lat:
[
]
S [m
2
]
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
R
4
[zł/mb]
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
8
200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720
Tab. 3 Zestawienie kosztów utrzymania wyrobisk w zależności od czasu utrzymania i wielkości przekroju.
17
Wyk. 2 Jednostkowy koszt utrzymania wyrobiska przez 4 i 8 lat
0
100
200
300
400
500
600
700
800
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
R [zł/mb
]
S [m
2
]
Jednostkowy koszt utrzymania wyrobiska przez 4 i 8 lat
R 4 lata
R 8 lat
18
4. Koszt przewietrzania wyrobiska.
Koszt energii zużytej na przewietrzanie obliczamy ze wzoru:
Gdzie:
E – ilość energii potrzebnej do przeprowadzenia powietrza [kWh]
k
e
– jednostkowy koszt energii elektrycznej
*
+
Ilość energii potrzebnej do przeprowadzenia powietrza obliczam z zależności:
Gdzie:
N – moc wentylatora [kW]
t – prognozowany czas przewietrzania wyrobiska w latach
Moc teoretyczną wentylatora obliczamy ze wzoru:
Gdzie:
N
teor
– teoretyczna moc wentylatora [kW]
Q – ilość powietrza przepływającego przez wyrobisko
*
+
h – depresja powodująca ruch powietrza w wyrobisku [mm H
2
O]
Całkowita moc wentylatora wynosi:
Gdzie:
ɳ - współczynnik sprawności
[ ]
Depresja powodująca ruch powietrza w wyrobisku wyniesie:
Gdzie:
α – współczynnik oporu aerodynamicznego
*
+
L – długość wyrobiska [m]
P – obwód wyrobiska [m]
S – przekrój wyrobiska [m
2
]
19
Podstawiając wartość depresji do zależności określającej moc wentylatora:
Wstawiając tę zależność do wzoru na ilość energii potrzebnej do przeprowadzenia
powietrza otrzymuje:
Ostatecznie wzór pozwalający obliczyć jednostkowy koszt przewietrzania wyrobiska
wygląda następująco:
[
]
Gdzie:
c – stały współczynnik zależny od kształtu wyrobiska, dla wyrobiska o przekroju łukowym c = 3,8
Dla czasu przewietrzania wyrobiska t = 4 lata:
[
]
Dla czasu przewietrzania wyrobiska t = 8 lat:
[
]
S [m
2
]
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
R
e
4 lata
[zł/m
b]
496 315 214
153 114
87
69
55
45
38
32
27
23
20
8 lat
994 630 428
307 228 176
138 111
91
76
64
54
46
40
Tab. 4 Zestawienie kosztów przewietrzania wyrobiska w zależności od wielkości przekroju i czasu przewietrzania.
20
Wyk. 3 Jednostkowy koszt przewietrzania wyrobiska przez 4 i 8 lat
0
200
400
600
800
1000
1200
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
R [zł/mb
]
S [m
2
]
Jednostkowy koszt przewietrzania wyrobiska przez 4 i 8 lat
Re 4 lata
Re 8 lat
21
5. Całkowity koszt wyrobiska.
Całkowity jednostkowy koszt wyrobiska k
c
obliczmy ze wzoru na podstawie trzech
składników, tj:
[
]
Gdzie:
k – koszt drążenia wyrobiska
*
+
R – koszt utrzymania wyrobiska
*
+
R
e
– koszt przewietrzania wyrobiska
*
+
Podstawiając odpowiednie wyprowadzenia:
[
]
Przyjmuję:
Wprowadzając powyższe oznaczenia otrzymuję:
Funkcja posiada maksimum w punkcie, w którym pierwsza jej pochodna jest równa
√
√
22
Dla czasu istnienia wyrobiska t = 4 lat:
√
(
)
Dla czasu istnienia wyrobiska t = 8 lat:
√
(
)
S [m
2
]
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
k [zł/mb]
835
960
1085 1210 1335 1460 1585 1710 1835 1960 2085 2210 2335 2460
R
4
[
]
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
8
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
680
720
R
e
4
[
]
496
315
214
153
114
87
69
55
45
38
32
27
23
20
8
994
630
428
307
228
176
138
111
91
76
64
54
46
40
∑k
4
[
]
1431 1395 1439 1523 1629 1747 1874 2005 2140 2278 2417 2557 2698 2840
8
2029 1830 1793 1837 1923 2036 2163 2301 2446 2596 2746 2904 3061 3220
Tab. 5 Sumaryczne zestawienie kosztów dla wyrobiska.
23
Wyk. 4 Jednostkowy koszt całkowity kc dla okresu 4 lata
496
315
214
153
114
87
69
55
45
38
32
27
23
20
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
835
960
1085
1210
1335
1460
1585
1710
1835
1960
2085
2210
2335
2460
1431
1395
1439
1523
1629
1747
1874
2005
2140
2278
2417
2557
2698
2840
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
R [zł/mb
]
S [m
2
]
Jednostkowy koszt całkowity k
C
dla okresu 4 lat.
Re
R
k
kc
24
Wyk. 5 Jednostkowy koszt całkowity kc dla okresu 8 lat
994
630
428
307
228
176
138
111
91
76
64
54
46
40
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
680
720
835
960
1085
1210
1335
1460
1585
1710
1835
1960
2085
2210
2335
2460
2029
1830
1793
1837
1923
2036
2163
2301
2446
2596
2746
2904
3061
3220
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
R [zł/mb
]
S [m
2
]
Jednostkowy koszt całkowity k
C
dla okresu 8 lat.
Re
R
k
kc
25
Spis ilustracji:
Rys. 1 Ściek kopalniany prostokątny ......................................................................................... 4
Rys. 2 Szyna S24 ........................................................................................................................ 8
Rys. 3 Schemat prześwitu torów w kopalniach podziemnych ................................................... 8
Rys. 4 Schemat lokomotywy elektrycznej przewodowej zasilanej z sieci trakcyjnej ............... 9
Rys. 5 Duży wóz kopalniany ze stałą skrzynią (PN- 63/G-46080) .......................................... 10
Rys. 6 Schemat obudowy Łukowej Podatnej ........................................................................... 11
Spis tabel:
Tab. 1 Zestawienie wymiarów wybranego ścieku kopalnianego prostokątnego. ...................... 4
Spis wykresów: