PL242756B1 - Sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej z ośrodkiem skalnym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej z ośrodkiem skalnym, obejmujący monitorowanie współoddziaływania wklejanej obudowy kotwowej z otaczającym ośrodkiem, w tym z warstwami stropowymi podziemnych wyrobisk górniczych. Sposób polega na tym, że na końcówce zabudowanej kotwy, której pręt (3) związany jest ze skałą (1) za pomocą żywicy (2) oraz odizolowany od ośrodka skalnego, mierzy się sekwencyjnie ładunki elektryczne (7 i 8), powstałe na styku żywicy, będącej dielektrykiem, z prętem kotwy (3), będącej ośrodkiem przewodzącym, a na podstawie zmian wielkości ładunku elektrycznego identyfikuje się i ocenia wielkość obciążenia obudowy kotwowej. Ponadto ładunek elektryczny, mierzy się na końcówce kotwy, odizolowanej od ośrodka skalnego (1), wykonanej z przewodzącego metalicznego materiału, korzystnie stali, za pomocą miernika ładunku elektrostatycznego (10), korzystnie kulombomierza, wyposażonego w sondę pomiarową (9), a odczytane wskazania miernika rejestruje się i na podstawie zmierzonych zmian ładunku elektrycznego w czasie, ocenia się wielkość i kierunek zmian obciążenia obudowy. Korzystnie sondą (9) pomiarową kulombomierza (10), przykładaną do końcówki kotwy (3), wystającej z otworu dokonuje się pomiary w ustalonym odstępie czasu co 24 godziny, a zmierzone i zarejestrowane zmiany ładunku elektrycznego, zobrazowane na wykresach interpretuje się w następujący sposób, systematyczny wzrost mierzonego ładunku świadczy o wzroście obciążenia kotwy oraz zaistnieniu procesu narastania ściślejszego kontaktu pomiędzy ośrodkiem skalnym a kotwą, natomiast spadek mierzonego ładunku elektrycznego w czasie świadczy o zmniejszającym się obciążeniu ośrodka skalnego na kotwę.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej wklejanej z otaczającym ośrodkiem skalnym, w szczególności z warstwami stropowymi podziemnych wyrobisk górniczych.

Obudowa kotwowa wklejana stanowi podstawowe zabezpieczenie wyrobisk podziemnych przed niepożądanym zjawiskiem odspojeń skał stropowych. Bezpieczne stosowanie obudowy jest uwarunkowane systematyczną kontrolą kotew, zwłaszcza kontrolą jakości ich współpracy z otaczającym górotworem. Do tego celu, stosowane są, oprócz obserwacji wizualnych elementów obudowy kotwowej, pomiary zmian nachylenia kotwy lub różne sygnalizatory rozwarstwienia stropu w formie podkładek mocowanych do końcówki kotwy albo układów przetworników ekstensometrycznych mierzących odkształcenie pręta kotwy.

Według polskiego patentu PL 125869, do testowania jakości obudowy kotwowej wklejanej stosowane są metody dynamometryczne, umożliwiające ocenę nośności kotwy na podstawie siły niezbędnej do jej wyrwania z górotworu. W innym patencie PL 171409 sposób kontroli i analizy rozkładu obciążeń wklejonych żerdzi kotwowych, polega na umieszczeniu w wybranych żerdziach czujników tensometrycznych, łączonych za pośrednictwem linii zdalnej transmisji z komputerem analizującym.

Znane są również sposoby testowania jakości wklejenia żerdzi kotwowych polegające na wymuszaniu drgań w tych żerdziach, które rejestruje i analizuje się z wykorzystaniem algorytmów uwzględniających własności fizykalne występujące w drgających prętach. Według polskiego patentu PL 197571 drgania wymuszone są młotkiem udarowym zaopatrzonym w przetwornik siły, przy czym uderza się w kilku miejscach wystającej z górotworu żerdzi kotwowej, w kierunku prostopadłym do osi geometrycznej żerdzi kotwowej, a uzyskane z czujnika drgań przebiegi rejestruje się i poddaje analizie modalnej. Rejestruje się równocześnie w układzie akwizycji sygnał wymuszenia, pochodzący z przetwornika siły umieszczonego w głowicy młotka udarowego i sygnał odpowiedzi na to wymuszenie, pochodzący z przetwornika przyspieszeń drgań, umieszczonego na wystającym z górotworu odcinku kotwi. Taki sposób testowania można stosować jedynie do tych kotwi, które wystają ze stropu wyrobiska, na co najmniej kilka centymetrów, co praktycznie znacznie ogranicza zakres testowania zespołów eksploatowanej obudowy kotwowej. Tę wadę częściowo eliminuje wynalazek, znany z japońskiego opisu patentowego JP 2001074706, według którego drgania są wzbudzane z pomocą młotka udarowego, w kierunku równoległym do osi geometrycznej żerdzi. Znany z patentu PL 208391 sposób testowania jakości wklejenia żerdzi kotwowych umieszczonych w górotworze, polega na tym, że za pomocą wzbudnika drgań z regulowaną częstotliwością pobudzania, wzbudza się drgania w żerdziach kotwi wklejonych w górotworze. Wzbudzone drgania rejestruje się z użyciem czujnika drgań, filtruje się, po czym przetwarza się do postaci cyfrowej, a następnie poddaje się analizie widmowej oraz analizie statycznej. Na bazie drgań, wzbudzonych w szerokim zakresie, identyfikuje się częstotliwości rezonansowe żerdzi kotwi, a na podstawie odpowiedzi na uzyskiwane częstotliwości rezonansowe obliczane są parametry, na podstawie których ocenia się stan zamocowania kotwi. Kotew wklejona wadliwie lub też w rejonie silnie spękanym i pobudzona do drgań wydaje głuchy odgłos o niższej częstotliwości. W japońskim opisie JP2006003323 ujawniono sposób pomiaru rozłożenia siły nośnej oddziałującej na utwierdzoną kotew. W tym sposobie poprzez zewnętrzny koniec w kotwi generuje się fale ultradźwiękowe, przy czym odbite, powracające fale rejestruje się, zapisując różnice czasu pomiędzy punktami odniesienia, którymi są zewnętrzny koniec kotwi oraz jej koniec wgłębny. Następnie po upływie dobranego odstępu czasu, ponownie generuje się i odczytuje fale ultradźwiękowe, zaś siłę nośną oblicza się ze zmian czasu pomiędzy punktami odniesienia w kolejnych pomiarach.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US5185595A1 ujawniony został kotwowy zestaw monitorujący, składający się z układu sprężyn stożkowych ściskanych pomiędzy dwiema nasuwkami lub podkładkami. Przemieszczenie ich proporcjonalne, do wielkości siły obciążającej kotew, jest mierzone i odczytywane bezpośrednio na skali oznaczonej na dodatkowym trzpieniu przesuwającym się w tulei, nasuwce obserwowanej poprzez otwór lub za pomocą diody elektroluminescencyjnej (LED).

Sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej z ośrodkiem skalnym, obejmujący monitorowanie współoddziaływania wklejanej obudowy kotwowej z otaczającym ośrodkiem, w tym z warstwami stropowymi podziemnych wyrobisk górniczych, charakteryzuje się tym, że sekwencyjnie na końcówce zabudowanej kotwy mierzy się ładunki elektryczne, powstałe na styku, wiążącej kotwę ze skałą, dielektrycznej żywicy, z prętem kotwy wykonanym z przewodzącego materiału. Przy czym ładunki elektryczne mierzy się sondą pomiarową, w którą wyposażony jest miernik ładunku elektrostatycznego, przykładaną do końcówki pręta kotwy, oddzielonej od skały za pomocą środka izolującego. Dane pomiarowe wykazujące systematyczny wzrost mierzonego ładunku świadczą o wzroście obciążenia oraz zaistnieniu procesu narastania ściślejszego kontaktu pomiędzy ośrodkiem skalnym a kotwą, natomiast wyniki pomiarów wykazujące spadek mierzonego ładunku elektrycznego w czasie świadczą o zmniejszającym się obciążeniu ośrodka skalnego na kotwę.

Korzystnie stosuje się stalowe kotwy, zaś ładunki elektryczne mierzy się za pomocą kulombomierza. Korzystnie również sondą pomiarową kulombomierza, przykładaną do końcówki kotwy, wystającej z otworu dokonuje się pomiary w ustalonym odstępie czasu, korzystnie co 24 godziny.

Sposób według wynalazku oparty na zjawiskach elektrostatycznych, zachodzących pomiędzy ośrodkami o odmiennych własnościach przewodzących, występujących w układzie kotwy wklejonej, w którym skała jest ośrodkiem o średniej rezystywności, żywica jest dielektrykiem, a stalowy pręt kotwy jest przewodnikiem pozwala bezinwazyjnie i jednoznacznie określić współoddziaływanie obudowy kotwowej z ośrodkiem skalnym.

Na podstawie pomiaru zmian ładunku elektrycznego, powstałego w wyniku elektryzacji kontaktowej i trybo-elektryzacji na styku żywicy z prętem kotwy, ocenia się wielkość obciążenia obudowy w czasie. Do analizy wyników pomiarów kwalifikuje się zdefiniowane trendy zmian mierzonego ładunku elektrycznego z kolejnych pomiarów, z pominięciem pojedynczych, charakteryzujących się znaczącym wzrostem lub spadkiem wartości ładunku. Dodatkowo prowadzi się podstawową analizę statystyczną danych pomiarowych takich jak: wartości średnie, przeciętne pozycyjne i miary zmienności, w zadanym przedziale czasowym oraz dynamikę zmian parametrów statystycznych ładunku, celem dokonania ogólnej charakterystyki obserwowanego procesu. Zmiany ładunku elektrycznego, systematycznie mierzonego za pomocą kulombomierza na końcu kotwy, w sposób pośredni charakteryzują odkształcanie się obudowy kotwowej. Obserwowany, systematyczny wzrost mierzonego ładunku odczytuje się jako sygnał wzrostu obciążenia kotwy oraz zaistnienie procesu narastania ściślejszego kontaktu pomiędzy ośrodkiem skalnym a kotwą. Natomiast spadek mierzonego ładunku elektrycznego w czasie świadczy o zmniejszającym się obciążeniu ośrodka skalnego na kotwę.

Sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej wklejanej z otaczającym ośrodkiem skalnym, oparty na wykorzystaniu zjawisk elektrostatycznych wynikających z oddziaływań mechanicznych pomiędzy ośrodkami o odmiennych własnościach przewodzących, przeznaczony jest do stosowania w kopalniach głębinowych, głównie w kopalniach węgla kamiennego i kopalniach miedzi oraz wszędzie tam, gdzie stosowana jest obudowa kotwowa wklejana w opisanym wyżej układzie przewodzącym. Sposób kontroli obudowy kotwowej według wynalazku zapewnia zwiększenie dokładności, komfortu i wydajności pomiarów służących ocenie współpracy obudowy z otaczającym ośrodkiem skalnym.

Sposób jest niezawodny, cechuje go prostota pomiaru, w każdych warunkach środowiskowych, polegająca na przyłożeniu sondy miernika do końcówki kotwy oraz jednoznaczność interpretacji rejestrowanych wyników. Sposób zapewnia należytą powtarzalność, co jest ważne w przypadkach gdy rejon zamocowania kotwi jest szczególnie niebezpieczny dla górników.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładach wykonania i na rysunkach, na których Fig. 1 przedstawia układ zabudowanej kotwy, a Fig. 2 przykładowy wykre s mierzonego parametru, w którym na osi X zaznaczono czas wykonania pomiaru, a na osi Y wartość zmierzonego ładunku w nanokulombach.

Przykład 1

Sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej wklejanej z otaczającym ośrodkiem skalnym realizuje się w układzie, powstałym w ośrodku skalnym 1, z którym przy użyciu masy żywicznej 2 związuje się stalowy pręt żerdzi kotwy 3. Izoluje się stalową podkładkę kotwy 4 z nakrętką 5 od skały, poprzez umieszczenie pomiędzy nimi podkładki izolacyjnej 6. Tak powstały układ charakteryzuje się pożądanymi własnościami elektrycznymi, ponieważ skała jest ośrodkiem o średniej rezystywności, żywica jest dielektrykiem, a stalowy pręt kotwy jest przewodnikiem. Dzięki zastosowaniu masy żywicznej, pręt kotwy 3 na całej swej długości związany jest z ośrodkiem skalnym 1, co w zdecydowany sposób wpływa na spoistość warstw skalnych poddanych procesowi deformacji.

W układzie zachodzą zjawiska elektrostatyczne wynikające z oddziaływań mechanicznych pomiędzy ośrodkami o odmiennych własnościach przewodzących. W wyniku elektryzacji kontaktowej i tryboelektryzacji w powierzchniowej warstwie żywicy 2, będącej dielektrykiem powstają dodatnie ładunki elektryczne 7, a na powierzchni pręta kotwy 3, będącej ośrodkiem przewodzącym, powstają ujemne ładunki elektryczne 8. Sondą pomiarową 9 kulombomierza 10, przykładaną do końcówki kotwy z przewodzącej stali, wystającej z otworu, mierzy się ładunek elektryczny i rejestruje się odczytane wskazania miernika 10 oraz obrazuje na wykresie uzyskane wielkości. Wielkość zmierzonego na końcu kotwy ładunku elektrycznego za pomocą miernika ładunku 10, w sposób pośredni charakteryzuje odkształcanie się obudowy kotwowej.

Operator 11 dokonujący pomiaru mierzy kulombomierzem zmiany ładunku elektrycznego na końcówce kotwy 3 co 24 godziny i na tej podstawie dokonuje się oceny względnej, obciążenia obudowy kotwowej, porównując ze sobą kolejne wartości zmierzonego ładunku. Systematyczny wzrost mierzonego ładunku sygnalizuje wzrost obciążenia kotwy oraz proces narastania ściślejszego kontaktu pomiędzy ośrodkiem skalnym 1 a kotwą. Natomiast spadek mierzonego ładunku w czasie świadczy o zmniejszającym się obciążeniu ośrodka skalnego na kotwę.

‘ Przykład 2

Sposób analogiczny jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że stalową podkładkę kotwy 4 powleka się warstwą izolacyjną w celu odizolowania kotwy 3 od ośrodka skalnego 1. Ponadto ilościowo ocenia się zjawisko elektrostatyczne po uprzednim wyskalowaniu mierzonego na kotwi ładunku ze znanym obciążeniem przyłożonym do kotwy, przeprowadzonym w warunkach laboratoryjnych, pomiędzy skałą, o średniej rezystywności, żywicą będącą dielektrykiem oraz stalowym prętem kotwy. Zamiast skały można zastosować inny ośrodek ekwiwalentny o średniej rezystywności, np. beton.

Interpretacji wyników pomiarów dokonuje się na podstawie zmian mierzonego ładunku, przy czym jego wzrostowi wartości odpowiada wzrost obciążenia kotwy i odwrotnie. Znając wyniki skalowania, wielkość zmiany ładunku przekłada się na wartość zmiany obciążenia.

Claims (3)

1. Sposób kontroli współpracy obudowy kotwowej z ośrodkiem skalnym, obejmujący monitorowanie współoddziaływania wklejanej obudowy kotwowej z otaczającym ośrodkiem, w tym z warstwami stropowymi podziemnych wyrobisk górniczych, znamienny tym, że sekwencyjnie na końcówce zabudowanej kotwy mierzy się ładunki elektryczne (7, 8), powstałe na styku dielektrycznej żywicy (2) wiążącej kotwę ze skałą (1), z prętem kotwy (3), wykonanym z przewodzącego materiału, przy czym ładunki elektryczne (7, 8) mierzy się sondą pomiarową (9) w którą wyposażony jest miernik ładunku elektrostatycznego (10), przykładaną do końcówki kotwy (3), oddzielonej od skały (1) za pomocą środka izolującego, dane pomiarowe uzyskane z miernika ładunku (10), wykazujące systematyczny wzrost mierzonego ładunku świadczą o wzroście obciążenia oraz zaistnieniu procesu narastania ściślejszego kontaktu pomiędzy ośrodkiem skalnym a kotwą, natomiast wyniki pomiarów wykazujące spadek mierzonego ładunku elektrycznego w czasie świadczą o zmniejszającym się obciążeniu ośrodka skalnego na kotwę.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stalowe kotwy (3), zaś ładunki elektryczne mierzy się za pomocą kulombomierza (10).

3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że sondą (9) pomiarową kulombomierza (10), przykładaną do końcówki kotwy (3), wystającej z otworu dokonuje się pomiary w ustalonym odstępie czasu, korzystnie co 24 godziny.