dr inż. Jerzy Stasica
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii
TECHNOLOGIE WZMACNIANIA WYROBISK PRZYGOTOWAWCZYCH PRZED
FRONTEM EKSPLOATACJI ŚCIANOWEJ W WARUNKACH POLSKICH KOPALC

W
GLA KAMIENNEGO
Treść:
W artykule przedstawiono technologie wzmocnienia wyrobisk przygotowawczych w warunkach
polskich kopalń węgla kamiennego. Zwrócono uwagę na konieczność wzmocnienia obudowy wyrobisk,
zwłaszcza przyścianowych, która ulega częstym deformacjom w strefach ciśnień eksploatacyjnych
przed i za frontem eksploatacji ścianowej oraz na skrzyżowaniu ze ścianą eksploatacyjną.
Przeprowadzona analiza pozwoliła na wskazanie kierunków rozwoju technologii wzmocnień
realizowanych w trakcie drążenia przedmiotowych wyrobisk jak i w trakcie ich utrzymywania w
różnych sytuacjach górniczych.
1. Wprowadzenie
Eksploatacja pokładów węgla systemami ścianowymi (rys. 1), wymaga wykonania wyrobisk
przyścianowych często o długich wybiegach dochodzących do kilku tysięcy metrów. W strefach
ciśnień eksploatacyjnych, powstałych w wyniku eksploatacji, obudowa wyrobisk przyścianowych
poddawana jest znacznym obciążeniom i deformacjom, które powodują zmniejszanie przekrojów
wyrobisk co w konsekwencji pogarsza ich funkcjonalność i powoduje trudności z ponownym ich
wykorzystaniem [1].
Rys. 1. System eksploatacji ścianowej [2].
1
Wyrobiska trzyścianowe umożliwiają odstawę urobku w obrębie pokładu, dostawę potrzebnych
przy eksploatacji urządzeń, maszyn, materiałów i energii, wygodny i bezpieczny ruch załogi w rejonie
ściany, doprowadzenie świeżego i odprowadzenie zużytego powietrza oraz odprowadzenie dopływu
wody. Utrzymanie tych wyrobisk w stanie gwarantującym spełnianie funkcji, dla których były
projektowane i drążone, jest konieczne ze względu na to, aby nie został zakłócony planowany postęp
ściany. To przekłada się oczywiście na wyniki finansowe kopalni.
Trudne warunki geologiczno-górnicze w jakich zlokalizowane są wyrobiska przyścianowe,
skłoniły kopalnie węgla kamiennego do stosowania różnych sposobów wzmocnień obudowy wyrobisk
przyścianowych przed i za frontem eksploatacji ścianowej.
Wzmacnianie wyrobisk przyścianowych realizowane jest głównie w celu:
- poprawy ich stateczności przed frontem ściany (w celu utrzymania dla obecnie
eksploatowanej ściany oraz na skrzyżowaniu z tą ścianą),
- poprawy ich stateczności za frontem ściany (w celu utrzymania dla następnej
projektowanej ściany).
2. Stan wytężenia górotworu w otoczeniu wyrobisk przyścianowych
W rejonie eksploatacji ścianowej obudowa podporowa wyrobisk przyścianowych podlega
wzmożonemu działaniu górotworu. Naruszenie stateczności obudowy może spowodować utratę
funkcjonalności wyrobiska. Potencjalne zagrożenie występuje nie tylko od strony stropu ale również
od ociosu i spągu wyrobiska. Jednym z ważniejszych czynników wpływających na stabilność pracy
obudowy wyrobiska w pobliżu frontu eksploatacyjnego jest ciśnienie eksploatacyjne. Przed
wybieranym frontem ściany oddziaływuje ciśnienie górotworu zwane ciśnieniem eksploatacyjnym. W
zasięgu strefy eksploatacyjnej obudowa chodnika poddana jest coraz większemu obciążeniu. Skutki
ciśnień eksploatacyjnych w chodnikach przyścianowych objawiają się przyrostem intensywności
pionowego i poziomego zaciskania wyrobiska, deformacją obudowy oraz wypiętrzaniem spągu.
Zależnie od głębokości i warunków geologiczno-górniczych skutki te najczęściej pojawiają się w
odległości od 40 do 100 m przed frontem ściany i nasilają się w kierunku do czoła ściany. Największa
koncentracja naprężeń występuje zwykle na skrzyżowaniu przodka ścianowego z chodnikami
przyścianowymi. Na rys. 2 przedstawiono jak przebiega rozkład naprężeń w rejonie wyrobiska
ścianowego.
2
Rys. 2. Schemat rozkładu naprężeń w rejonie wyrobiska przyścianowego [2].
Charakteryzując deformacje chodników przyścianowych, na które składają się:
- osiadanie skał stropowych,
- wypiętrzanie spągu,
- przemieszczanie ociosów (zaciskanie poziome),
można wyróżnić dwa okresy występowania tych ruchów górotworu:
- okres po wydrążeniu wyrobisk, kiedy nie są one narażone na oddziaływanie
eksploatacyjne,
- okres w którym chodniki przyścianowe znajdują się w strefie oddziaływania ciśnień
eksploatacyjnych [3, 4].
3. Fazy istnienia wyrobiska przyścianowego
Istnienie chodnika przyścianowego charakteryzują trzy fazy. Określają one położenie chodnika
względem frontu eksploatacyjnego a co za tym idzie zmienne warunki obciążeniowe jakim jest
poddawany chodnik przyścianowy w czasie swojego istnienia.
Bezpośrednio po wydrążeniu wyrobisko przyścianowe znajduje się w obustronnym otoczeniu
calizny. Jest to pierwsza faza jego istnienia. Podlega ono wówczas obciążeniu ze strony odprężających
się warstw, zalegających w jego stropie. Taki stan obciążenia trwa do momentu pojawienia się wpływu
ściany, której front przesuwa się wzdłuż jednego z ociosów przedmiotowego wyrobiska. Wyrobisko
wówczas przechodzi w drugą fazę istnienia, gdy górotwór naruszony zmienia się w górotwór
wytężony, pojawia się początek wpływu zbliżającej się ściany (obciążenie wyrobiska narasta). Trzecia
faza istnienia wyrobiska przyścianowego występuje, gdy otaczający go górotwór staje się górotworem
odprężonym.
Dodatkowymi czynnikami (oprócz wpływu ściany) wpływającymi na stateczność wyrobisk
przyścianowych są przede wszystkim [5, 6]:
3
- głębokość wyrobiska,
- krawędzie eksploatacyjne,
- zaburzenia tektoniczne,
- usytuowanie wyrobiska w brzeżnych częściach filarów ochronnych,
- wysokość ściany eksploatacyjnej,
- czas istnienia wyrobiska,
- wytrzymałość skał stropowych i spągowych eksploatowanego pokładu,
- kształt przekroju poprzecznego wyrobiska, jego gabaryty i rodzaj obudowy,
- współpraca obudowy z górotworem.
4. Wzmocnienie wyrobisk przyścianowych przed frontem eksploatacji ścianowej.
Wyrobiska przyścianowe znajdujące się w niekorzystnych warunkach geologicznych,
zwłaszcza w strefach wpływu frontu eksploatacyjnego podlegają różnym formom deformacji, którym
towarzyszy zjawisko zmniejszania przekroju wyrobiska do wymiarów utrudniających dalszą jego
funkcjonalność. Aby zapobiec takiemu zjawisku należy jak najwcześniej zaprojektować i zrealizować
optymalne wzmocnienie obudowy wyrobiska.
Opóz
nienie wykonania wzmocnienia wyrobiska może doprowadzić do deformacji jego
obudowy lub w najgorszym przypadku do utraty jego stateczności. Do najbardziej typowych
przedsięwzięć związanych z przywracaniem pierwotnej funkcjonalności wyrobiska należy:
- pobierka spągów,
- przebudowa wyrobisk korytarzowych z przybierką skał,
- wzmocnienie konstrukcji obudowy wyrobiska.
Pobierki spągów dokonuje się metodami ręcznymi, robotami strzelniczymi lub przy użyciu
maszyn do częściowego urabiania i ładowania. Organizacja pobierki spągu musi być przystosowana
do okoliczności i funkcji wyrobiska. Z reguły pobierki spągów wymagają realizacji bez przerwania
funkcjonalności wyrobiska a szczególnie odstawy urobku. Dlatego pobierka spągu wyrobiska jest
organizacyjnie podporządkowana pozostałym funkcjom realizowanym w czasie. Ręczne pobierki
wyciśniętych spągów wykonuje się przy użyciu młotków mechanicznych, kilofów, przy czym
skruszony i poluzowany urobek ładuje się ręcznie łopatami do wozów. Prace te częściowo
wspomagane są robotami strzelniczymi z zastosowaniem małych ładunków materiału wybuchowego,
mających za zadanie dodatkowe rozkruszenie i poluzowanie skały. Sposoby tej pobierki spągu są z
reguły mało wydajne. Do podniesienia wydajności i skrócenia czasu trwania pobierki spągu znajdują
zastosowanie samobieżne maszyny tzw. spągoładowarki, pracujące wzdłuż stosowanych środków
odstawy.
4
Kolejną formą przywracania pierwotnego kształtu i funkcjonalności wyrobiska jest
przebudowa wyrobiska z przybierką skał stropowych. Prace te wykonywane muszą być z dużą
ostrożnością i organizacyjnie podporządkowane są formom prowadzenia wyrobiska. Zrywanie skały
może być wykonywane przy zastosowaniu młotków mechanicznych  z reguły z pomocą strzelania
ograniczonymi ładunkami materiału wybuchowego. Po dokonaniu wymaganej przybierki wykonuje
się obudowę przystosowaną do nowego przekroju wyrobiska. O wyborze decyzji przebudowy
wyrobiska decydują takie czynniki jak dostęp do wnętrza wyrobiska, wyłączenie go z eksploatacji,
wykonywanie prac  pod ruchem , warunki geologiczne, stan techniczny starej obudowy.
Aby uniknąć przebudowy oraz ograniczyć pobierkę skał spągowych najwygodniej jest
wzmocnić wyrobisko przyścianowe przed frontem eksploatacji ścianowej jeszcze w strefie
obustronnego otoczenia calizną, tj. w strefie nie objętej ciśnieniem eksploatacyjnym. Z praktyki
górniczej wiadomo, że największe efekty wzmocnienia wyrobiska uzyskuje się gdy jest ono
realizowane z wyprzedzeniem w stosunku do linii frontu eksploatacji ścianowej, w odległości nie
mniejszej niż 60�80 m. Najlepsze efekty wzmocnienia uzyskuje się, gdy wzmacniamy obudowę
wyrobiska już w trakcie jego drążenia lub w niewielkiej odległości za frontem przodka drążonego
wyrobiska. Najczęściej wzmocnienia te realizowane są przez:
- zagęszczanie rozstawu obudowy podporowej,
- stosowanie obudowy zamkniętej,
- podpieranie odrzwi obudowy podporowej za pomocą stojaków indywidualnych drewnianych
lub stalowych,
- stosowanie podciągów,
- stosowanie podciągów podpartych stojakami,
- stosowanie przykatwiania obudowy kotwiami sztywnymi, linowymi lub strunowymi,
- zabudowa kotew w polach pomiędzy odrzwiami obudowy podporowej,
- wpinanie dodatkowych odrzwi pomiędzy istniejące,
- zabudowa spągownic w przypadku wypiętrzania spągu.
Zagęszczanie rozstawu obudowy realizowane jest na etapie doboru obudowy podporowej dla
projektowanego wyrobiska przyścianowego. Najczęściej w wyrobiskach przyścianowych stosowana
jest obudowa podporowa podatna typu A
P - trzyelementowa, której przekrój przedstawiono na rys. 3.
Rozstaw obudowy zwykle nie przekracza 1,0 m. Doświadczenia zdobyte w trakcie wcześniejszej
eksploatacji są cenną wskazówką przy doborze rozstawu obudowy. Przy spodziewanych problemach z
utrzymaniem wyrobiska korytarzowego, bazując na doświadczeniach z sąsiedniej ściany, można
zastosować zagęszczenie rozstawu obudowy, np. z rozstawu wynoszącego 1,0 m na rozstaw 0,75 m
lub z rozstawu 0,75 m na 0,5 m. Można też stosować mocniejsze profile A
P np.: V32 lub V36. Sposób
ten ma zasadniczą wadę  podraża znacznie koszty wykonania chodnika i spowolnienie jego drążenia.
5
Bardzo często z uwagi na zaciskanie wyrobiska przewiduje się także większy przekrój poprzeczny
wyrobiska. W polskich kopalniach węgla kamiennego dominują obudowy podporowe podatne o
wielkości odrzwi A
P-9 i A
P 10 wykonane z kształtowników min V29.
Rys. 3. Obudowa łukowa podatna A
P: 3-elementowa i 4-elementowa [9].
W warunkach wypiętrzania spągu wyrobiska najskuteczniejszym sposobem wzmocnienia
obudowy jest zastosowanie obudowy zamkniętej. Działanie takie zmniejsza deformacje obudowy.
A
uki spągowe z reguły zakłada się z pewnym opóz
nieniem za przodkiem drążonego wyrobiska.
Większe gabaryty wyrobisk obligują często do zastosowania obudowy wieloelementowej najczęściej
czteroelementowej (rys. 4) lub wieloelementowej z zastosowaniem dzielonej spągownicy, rys. 5 i 6.
Wadą obudowy zamkniętej jest większa pracochłonność przy jej wykonywaniu oraz to, że spągownica
często przeszkadza w trakcie robót eksploatacyjnych, zwłaszcza w przypadku dalszego wypiętrzania
spągu gdzie często dochodzi do jej deformacji. W razie konieczności wykonania kolejnej pobierki
spągu, konieczne jest demontowanie spągownic co znacznie spowalnia i utrudnia proces pobierki. Z
praktyki górniczej wynika, ze przy dużych wypiętrzeniach spągu korzystnie jest wypiąć spągownice
przed frontem zbliżającej się ściany w odległości do 60 m od czoła ściany.
Rys. 4. Schemat ośmioelementowej obudowy zamkniętej ze spągownicami: 1-spągownica łączona, 2-
wydłużenie łuku ociosowego, 3-odrzwia pierwotne [7]
6
Na rys. 6 przedstawiono spągownice wykonane z prostek V, połączonych na zakład za pomocą
zamków. W warunkach dużych ciśnień spągownice mogą dodatkowo zostać przykotwione kotwiami
stalowymi, rys. 7. W takich przypadkach może również zostać wprowadzona dodatkowo opinka spągu
wykonana z siatki, np. ogrodzeniowej.
Rys. 5. Obudowa łukowa podatna A
P- zamknięta.
Rys. 6. Przykładowe wzmocnienie spągownicy poprzez jej przykotwienie stalowymi kotwiami
sztywnymi.
Zamiast spągownic można użyć kotwi linowych opasających spąg wyrobiska, wykonuje się
wówczas tzw. szycie spągu za pomocą lin i siatek opinających, rys. 7. Wzmocnienie to można
realizować z użyciem starych lin, np. wycofanych z transportu linowego. W przypadku koniecznej
dalszej pobierki lub z przyczyn technologicznych, zaletą tego sposobu wzmocnienia jest możliwość
szybkiego demontażu całej konstrukcji wzmocnienia spągu poprzez rozpięcie lub ucięcie lin.
7
Rys. 7. Przykładowy sposób wzmocnienia spągu wyrobiska z wykorzystaniem kotwi linowych i siatki.
Najprostszym i najczęściej stosowanym sposobem wzmocnienia obudowy wyrobiska przed
frontem eksploatacji ścianowej jest zastosowanie w osi chodnika przyścianowego indywidualnych
podciągów lub podciągów podpartych stojakami drewnianymi lub stalowymi. Stojaki podbudowane
pod podciągami najczęściej rozmieszczone są pod każdym łukiem stropnicowym obudowy
podporowej lub jeżeli pozwalają na to warunki górniczo-geologiczne pod co drugim czy trzecim
łukiem stropnicowym. W razie konieczności można podjąć decyzję o zagęszczeniu stojaków. W
przypadku występowania miękkich spągów, stojaki powinny być zabudowywane np. na podkładach
drewnianych, rys. 8.
Rys. 8. Wzmocnienie odrzwi obudowy chodnikowej stojakami Valent
Stojaki SV są bardzo proste w wykonaniu, tanie a jednocześnie charakteryzują się dużą
podpornością. Materiały do wykonania stojka SV można pozyskać ze starych prostek V, np. podczas
likwidacji wyrobisk korytarzowych, fot. 1.
8
Fot. 1. Wzmocnienie odrzwi obudowy chodnikowej stojakami stalowymi typu SV
Podciągi stalowe wpływają na bardziej równomierne obciążenie odrzwi obudowy łukowej, a
tym samym na bardziej efektywne jej wykorzystanie. Podciągi stalowe z profili V, KO, KS lub szyn
kolejowych stosuje się najczęściej w rejonie skrzyżowań ściana - chodnik lub bywa, że na całej
długości chodnika. Długość kształtowników stosowanych jako podciągi stalowe waha się od 4 do 6 m.
Buduje się je najczęściej w osi chodnika, ale zdarza się, że podciągi stalowe są stosowane jako
wzmocnienie ociosów. A
ączenie prostek V bądz
szyn wykonuje się najczęściej na zakładkę na dwóch
segmentach obudowy A
P, rys. 9.
Należy pamiętać aby instalowany podciąg został przymocowany do każdego łuku stropnicowego
obudowy za pomocą zamków lub specjalnych obejm i mocno dokręcony oraz oklinowany drewnem.
W przypadku dużej wysokości wyrobiska, każdy ze stojaków powinien być przywiązany do podciągu
za pomocą drutu, linki stalowej lub łańcucha w celu jego zabezpieczenia przed przewróceniem, fot. 2.
Rys. 9. Sposób zabudowy podciągów stalowych.
9
Fot. 2. Sposób zabezpieczenia stojaka przed przewróceniem z wykorzystaniem linki stalowej.
Najprostszym sposobem zwiększenia stateczności wyrobisk jest zastosowanie kotew o
zróżnicowanej długości żerdzi. Obudowa kotwiowa jest powszechnie stosowana od wielu już lat w
polskim górnictwie węglowym.
Wspomniane kotwie mogą być instalowane w polach pomiędzy odrzwiami obudowy
podporowej, rys. 10, lub mogą podtrzymywać jej elementy z wykorzystaniem odpowiednich obejm
lub podciągów, rys. 11 i 12.
Rys. 10. Wzmocnienie górotworu z wykorzystaniem kotwi stropowych  1, ociosowych  2 i
spągowych  3. [7]
10
Rys. 11. Sposoby przykatwianie łuków obudowy podporowej kotwiami.
Rys. 12. Widok obejmy podtrzymującej łuk stropnicowy obudowy podporowej poprzez zainstalowaną
pare kotwi.
Wzmocnienie obudowy podporowej wyrobiska przyścianowego może być również realizowane
poprzez przykatwianie jednego albo dwóch podciągów wykonanych np. z prostek V (rys. 13 i 14), lub
tzw. orczyka rys. 15. W przypadku pojedynczych podciągów (rys. 13), każda z kotwi strunowych,
zazwyczaj o nośności wynoszącej min 280 kN, podtrzymuje łuki stropnicowe obudowy łukowej w osi
wyrobiska. Przeniesienie reakcji z kotwi na odrzwia następuje poprzez podwieszony podciąg stalowy
wykonany z odcinków prostek min V25 z otworami.
11
Rys. 13. Schemat przykotwienia obudowy A
P z wykorzystaniem
podciągu i kotwi.
Podwójne podciągi zakłada się zazwyczaj symetrycznie po obu stronach osi wyrobiska (rys.
14), tuż nad zamkami obudowy podporowej w odległości od nich o około 0,5�0,7 m. W przypadku
niesymetrycznego ułożenia podciągów, jeden podciąg instaluje się wówczas w osi wyrobiska a drugi
nad zamkiem obudowy po stronie projektowanej eksploatacji ścianowej. Kotwie strunowe posiadają
długość od 3,5 do 6,0 m. Wklejanie kotwi realizowane jest zazwyczaj z zastosowaniem żywicznych
ładunków klejowych na odcinku wklejenia wynoszącym min 1,2 m. Na rys. 14 przedstawiono kotwie
strunowe podwieszające podciągi w każdym polu pomiędzy odrzwiami obudowy podporowej.
Rys. 14. Schemat przykotwienia obudowy A
P z wykorzystaniem
podciągów i kotwi sztywnych lub giętkich
12
W przypadku występowania korzystnych warunków stropowych, kotwie te mogą być
instalowane w co drugim polu pomiędzy odrzwiami obudowy podporowej oraz przemiennie po obu
stronach osi wyrobiska.
Na rys. 15 przedstawiono przykładowe zabezpieczenie obudowy podporowej chodnika
przyścianowego za pomocą pojedynczych zestawów orczyków. Każdy których orczyków podtrzymuje
dwa sąsiednie łuki obudowy podporowej poprzez kotew strunową instalowaną w co drugim polu
pomiędzy odrzwiami obudowy podporowej. Orczyki te mogą być instalowane również przemiennie
(symetrycznie lub niesymetrycznie) po obu stronach osi wyrobiska.
Rys. 15. Schemat przykotwienia obudowy A
P z wykorzystaniem podciągów w postaci orczyków i
kotwi sztywnych lub giętkich
5. Podsumowanie
Wyrobiska przyścianowe znajdujące się w niekorzystnych warunkach geologicznych,
zwłaszcza w strefach wpływu frontu eksploatacyjnego podlegają różnym formom deformacji, którym
towarzyszy zjawisko zmniejszania przekroju wyrobiska do wymiarów utrudniających dalszą jego
funkcjonalność. Aby zapobiec takiemu zjawisku należy jak najwcześniej zaprojektować i zrealizować
optymalne wzmocnienie obudowy wyrobiska. Właściwie zaprojektowana i wykonana obudowa
chodników przyścianowych powinna zabezpieczyć ich stateczność w strefie ciśnień eksploatacyjnych.
Najczęściej wzmocnienia obudowy dokonuje się z pewnym opóz
nieniem w stosunku do czoła
drążonych chodników lub bezpośrednio przed zbliżającym się frontem robót eksploatacyjnych. Czas
oddziaływania ciśnień eksploatacyjnych na obudowę jest krótki, zazwyczaj trwa około 1 miesiąca
[7,8], stąd też za racjonalne uznaje się czasem projektowanie obudowy wyrobiska bez uwzględnienia
ciśnienia eksploatacyjnego, a w strefie jego oddziaływania wzmacnia się dopiero jego obudowę.
13
Opóz
nienie wykonania wzmocnienia wyrobiska może jednak doprowadzić do deformacji jego
obudowy lub w najgorszym przypadku do utraty jego stateczności. Wyrobisko trzyścianowe, które
uległo już deformacji połączonej ze zmniejszeniem przekroju do wymiarów nie gwarantujących
dalszej jego funkcjonalności, musi zostać przywrócone do stanu użyteczności w przeciwnym razie
konieczne będzie wykonanie nowego równoległego wyrobiska w sąsiedztwie zaciśniętego co znacznie
podroży koszty eksploatacji.
Literatura:
[1] Zimonczyk J., Kiełkowski A., Schopp W.: Doświadczenia kopalni  Borynia w utrzymywaniu
chodników przyścianowych za frontem eksploatacji, w jednostronnym otoczeniu zrobami. Przegląd
górniczy nr 5, 2006 r.
[2] Piechota Stanisław: Podstawowe zasady i technologie wybierania kopalin stałych. Biblioteka
Szkoły Eksploatacji Podziemnej. Kraków 2003.
[3] Majcherczyk T., Olechowski S.: Strefy zagrożenia deformacjami obudowy chodników
przyścianowych. Przegląd górniczy nr 6 , 2008r.
[4] Prusek S. Metody prognozowania deformacji chodników przyścianowych w strefach wpływu
eksploatacji z zawałem stropu. Prace naukowe GIG nr 874, 2008r.
[5] Grzybek J.: Nowe spojrzenie na wpływ czynników górniczych i geologicznych na utrzymanie
wyrobisk korytarzowych w sąsiedztwie zrobów zawałowych. Szkoła Eksploatacji Podziemnej 1996.
[6] Prusek St., Kostyk T.: Prognoza zaciskania chodników (GIG).
[7] Piechota St., Stopyra M., Poborska-Młynarska K.: Systemy podziemnej eksploatacji złóż węgla
kamiennego w Polsce. Wydawnictwo AGH. Kraków 2009.
[8] Piechota St.: Technika Podziemnej eksploatacji złóż i likwidacji kopalń. UWND AGH. Kraków
2008.
[9] Katalog produktów Huty  A
abędy S.A.
14