PL218806B1 - Sposób wzmacniania górotworu i kotew iniekcyjna, zwłaszcza górnicza - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wzmacniania górotworu i kotew iniekcyjna, zwłaszcza górnicza, mający zastosowanie w szczególności w górnictwie podziemnym do scalania spękanych skał w otoczeniu wyrobisk górniczych.

W technice górniczej od wielu lat znane są i stosowane powszechnie iniekcje środkami iniekcyjno-wiążącymi, przykładowo żywicami poliuretanowymi. Osiąganie żądanych rezultatów zależy od wielu czynników, z których największą rolę odgrywa długość otworów iniekcyjnych, a także przyjęty dla danych warunków czas żelowania żywicy. Jeśli zakłada się, że zatłoczony środek iniekcyjno-wiążący ma penetrować do szczelin o małym prześwicie, czas żelowania musi być dłuższy, natomiast w przypadkach, gdy chodzi o zamknięcie dużych szczelin i spękań, czas ten powinien być krótki. W praktyce górniczej odpowiedni dobór proporcji składników jest bardzo ograniczony, jako że warunki miejscowe w odniesieniu do struktury skał są bardzo zmienne, nawet dla sąsiednich otworów iniekcyjnych. Stąd też należałoby dla każdego otworu iniekcyjnego przygotowywać inny skład środka iniekcyjno-wiążącego, co dezorganizowałoby cały cykl produkcyjny. Dlatego też stosuje się intuicyjny dobór uśrednionych parametrów środków iniekcyjno-wiążących dla danych warunków, będący kompromisem między faktycznymi potrzebami, a wymaganiami organizacji procesu technologicznego.

Do zatłaczania środków iniekcyjno-wiążących używane są kotwie iniekcyjne. Mają one zazwyczaj postać przewodu sztywnego, względnie w stopniu ograniczonym giętkiego o postaci zbliżonej do rury, osadzonego w otworze iniekcyjnym, do którego przyłącza się złącze agregatu podającego wymieszany środek iniekcyjno-wiążący pod zadanym ciśnieniem. Znane, na przykład z opisu polskiego wzoru użytkowego Ru 6499, czy też Ru 64400 kotwie wyposażone są dodatkowo w otwory poprzeczne na długości płaszcza, przez które środek iniekcyjno-wiążący przechodzi bezpośrednio do otoczenia kotwi umacniając jej posadowienie, oraz zamykając duże szczeliny i nierówności przy wlocie otworu iniekcyjnego.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.381857 znana jest konstrukcja kotwi urabialnej, mającej budowę bardzo zbliżoną do typowej kotwi iniekcyjnej. Kotew ta na zewnętrznej powierzchni żerdzi ma tuleje dystansowe, między którymi znajdują się wyloty otworów poprzecznych, wprowadzających środek wiążący z wnętrza kotwi do przestrzeni między tulejami dystansowymi. Tuleje dystansowe są przeznaczone w głównej mierze do wyznaczania stref ograniczonej wytrzymałości, w których ma następować złamanie kotwi, ale również pełnią rolę wyznaczania stref zatłaczania środka iniekcyjno-wiążącego na zewnątrz żerdzi w otworze iniekcyjnym.

Znane konstrukcje kotwi iniekcyjnych są przystosowane do zatłaczania tylko jednego, przygotowanego dla miejsca ich osadzenia środka iniekcyjno-wiążącego i po zatłoczeniu tego środka pełnią rolę typowej kotwi wzmacniającej. Gdyby zatem zaszła potrzeba dodatkowego zatłoczenia środka wiążącego o innym składzie i właściwościach, koniecznym jest wiercenie następnego otworu iniekcyjnego, co zdecydowanie komplikuje cały cykl technologiczny i oddziałuje negatywnie na parametry ekonomiczne produkcji.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wzmacniania górotworu i odpowiadającej mu konstrukcji kotwi iniekcyjnej, zwłaszcza górniczej, co umożliwi zatłaczanie środka iniekcyjnowiążącego o zmiennych właściwościach do strefy wybranego, pojedynczego otworu iniekcyjnego, wykonanego w skałach otaczających wyrobisko górnicze.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że do skał poprzez pojedynczą kotew iniekcyjną zatłacza się odrębnie środki iniekcyjno-wiążące o zróżnicowanym czasie żelowania dla określonych, co najmniej dwóch stref zatłaczania w obrębie tego otworu iniekcyjnego.

Najlepiej jest, gdy w pierwszej kolejności przez kotew iniekcyjną zatłacza się środek iniekcyjno-wiążący o najkrótszym czasie żelowania do strefy najbliższej wlotowi otworu iniekcyjnego, po czym kolejno zatłacza się do następnych stref, zlokalizowanych na coraz większej głębokości środki iniekcyjno-wiążące o wzrastającym czasie żelowania.

Istota kotwi iniekcyjnej według wynalazku polega na tym, że ma ona co najmniej dwa wzdłużne kanały wewnętrzne nie połączone z sobą, z których każdy posiada przynajmniej jeden, niezależny otwór wylewowy w płaszczu, a część kanałów wzdłużnych jest na końcu zamknięta.

Korzystnym jest, gdy zlokalizowany na zewnątrz płaszcza kotwi, co najmniej jeden pakiet uszczelniający rozdziela otwory wylewowe z kanałów wewnętrznych, najbardziej do siebie zbliżone na długości płaszcza, co w praktyce wyznacza strefy zatłaczania przynależne dla poszczególnych kanałów wewnętrznych.

PL 218 806 B1

Możliwym jest takie wykonanie kotwi, że w wybranych kanałach wewnętrznych, na ich końcu wchodzącym w głąb otworu iniekcyjnego nasadzone są na trwale czopy.

Najprostszym rozwiązaniem jest takie, w którym czopy osadzone są na końcach wszystkich, za wyjątkiem jednego, kanałach wewnętrznych, a kanały zamknięte czopami mają odpowiednio rozmieszczone na długości płaszcza otwory wylewowe.

Kanały wewnętrzne kotwi mogą mieć jednakowe profile, o równych co do pola przekrojach poprzecznych.

Dla takiego przypadku w najprostszym wykonaniu kanały wewnętrzne utworzone są przez ściankę wewnętrzną płaszcza kotwi, oraz powierzchnie boczne listwy profilowej zamocowanej na sztywno we wnętrzu płaszcza.

Korzystnie listwa profilowa ma postać prostokątnych płaskowników przenikających się wzdłużnie tak, że przeprowadzone przez nie płaszczyzny przecinają się we wspólnej osi wzdłużnej.

Najlepiej jest, gdy listwa profilowa ma w przekroju poprzecznym profil regularnego krzyża, wyznaczając cztery kanały wewnętrzne w płaszczu kotwi iniekcyjnej.

W przystosowaniu do kanału otworu iniekcyjnego płaszcz kotwi może mieć postać raczej o przekroju kołowym.

Możliwym jest jednak takie wykonanie kotwi iniekcyjnej, której kanały wewnętrzne mają zróżnicowane profile i pola przekroju.

W najprostszym wykonaniu kotew taka ma we wnętrzu płaszcza osadzone na sztywno przewody w postaci rurek.

Wówczas kanały wewnętrzne, zbudowane z rurek mogą mieć zróżnicowaną długość, a przy końcu każdego z nich zlokalizowany jest przechodzący przez płaszcz kotwi, co najmniej jeden, przynależny mu otwór wylewowy.

Dla zmniejszenia oporów wypływu środka iniekcyjno-wiążącego z wnętrza zaczopowanych kanałów wewnętrznych korzystnym jest wykonanie otworów wylewowych jako nachylonych i skierowanych w kierunku zgodnym z końcem płaszcza.

W najprostszym wykonaniu każdy z kanałów wewnętrznych wyposażony jest na odcinku wlotowym w rozłącznie mocowane przyłącze, montowane na czas zatłaczania tego kanału wewnętrznego.

Odmiana kotwi iniekcyjnej według wynalazku polega na tym, że do przewodu podstawowego po jego zewnętrznej stronie przyłączony jest na stałe co najmniej jeden równoległy przewód, przy czym otwory wylewowe każdego z przewodów zlokalizowane są na różnej długości od wlotu otworu iniekcyjnego i najbliższe sobie otwory wylewowe różnych przewodów są rozdzielone pakietem uszczelniającym.

W najprostszym wykonaniu każdy z przewodów o postaci sztywnej rury o mniejszej długości ma koniec zlokalizowany w otworze iniekcyjnym zamknięty na głucho czopem, przed którym zlokalizowany jest boczny otwór wylewowy z tego przewodu, a pakiet uszczelniający jest na odcinku zakończonym czopem.

Możliwym jest takie wykonanie kotwi, w którym poszczególne przewody mają zróżnicowane średnice wewnętrzne, czym przystosowane są do podawania środków iniekcyjno-wiążących o zróżnicowanej konsystencji.

Korzystnym jest, gdy kotew iniekcyjna według tej odmiany ma każdy z przewodów wyposażony w odrębne, stałe przyłącze do agregatu podającego środek iniekcyjno-wiążący.

Zasadniczą zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość zatłoczenia przez jedną kotew iniekcyjną, osadzoną w jednym otworze iniekcyjnym kilku, różniących się między sobą co do czasu żelowania i zdolności penetrowania środków iniekcyjno-wiążących. Stąd też dla strefy w okolicy wlotu otworu iniekcyjnego zatłaczać się będzie środek iniekcyjno-wiążący o krótkim czasie żelowania i stosunkowo niedużej zdolności penetracji, jako że w strefie tej występują szczeliny i spękania o stosunkowo dużym prześwicie, gdzie wnikanie środka nie napotyka większych problemów. W następnej kolejności. W następnej kolejności, przez następny kanał wewnętrzny z otworem wylewowym, zlokalizowanym głębiej od pierwszego, zatłaczać można środek iniekcyjno-wiążący o wydłużonym, w stosunku do poprzedniego czasie żelowania, a co za tym idzie większej zdolności penetrowania do szczelin o mniejszym prześwicie. W końcowej fazie można zatłaczać przez otwory na końcu kanał wewnętrzny środkiem o bardzo długim okresie żelowania, podatnym do wnikania w bardzo drobne szczeliny i spękania. Zatem sposób według wynalazku pozwala na bardzo dokładne wypełnienie spękań i szczelin w obszarze zatłaczania z wyeliminowaniem możliwości wyciekania na zewnątrz środka iniekcyjno-wiążącego o długim okresie żelowania, jako że następne strefy wzmacniania zlokalizowane są za już związanymi strefami zatłoczenia.

PL 218 806 B1

W ten sposób wyeliminowana zostaje konieczność zwiększania otworów iniekcyjnych dla dobrego uszczelnienia i związania porównywalnej objętości skał górotworu, przez co zasadniczo obniża się koszt realizowanego zatłaczania, a także czas trwania robót uszczelniająco-wzmacniających. Istotne dla obniżenia kosztów jest również to, że roboty wykonywane są z użyciem znacznie zmniejszonej ilości kotew iniekcyjnych. Trzeba tu również zauważyć, że sposób i kotew iniekcyjna według wynalazku pozwala realizować także inne cele, niż samo wiązanie skał. Można bowiem, jako jeden ze środków zatłaczanych poprzez kotew wielokanałową, stosować przykładowo środek przeciwdziałający samozapaleniu węgla, co bez wcześniejszego wytworzenia uszczelnionych stref oporowych byłoby praktycznie bardzo utrudnione, o ile nie niemożliwe. Same kotwie wielokanałowe są stosunkowo proste w wykonaniu i mogą mieć, jak to wynika z zastrzeżeń zależnych, różną konstrukcję. Również, w zależności od potrzeb, kotwie według wynalazku mogą mieć postać wieloprzewodową, jak to przedstawiono w odmianie wynalazku. Wówczas nie ma wspólnego płaszcza, w którym znajdują się kanały, ale kanały te utworzone są przez przewody połączone ze sobą zewnętrznie. Możliwym jest przy tym dobieranie do miejscowych potrzeb zarówno ilości potrzebnych kanałów wzdłużnych, jak i średnicy zarówno kanałów wzdłużnych, jak i całego płaszcza kotwi iniekcyjnej. Przy dostępności różnych materiałów oraz możliwości wykonania otworów iniekcyjnych o różnych średnicach i długościach nie napotyka się na większe problemy, zarówno techniczne, jak i ekonomiczne. Zarówno sposób według wynalazku, jak i kotew iniekcyjna dla tego sposobu w praktyce wyznaczają nowe możliwości W zakresie zarówno wzmacniania, jak i uszczelniania skał, co jest bardzo istotne w warunkach dużych ciśnień górotworu, oraz dużego wydzielania metanu ze skał w rejonie pokładów węgla kamiennego.

Wynalazek został bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia szkic poglądowy zatłaczania do górotworu przez jedną wielokanałową kotew iniekcyjna środków iniekcyjno-wiążących o zróżnicowanych czasach żelowania, fig. 2 - uproszczony przekrój poprzeczny przez kotew czterokanałową o równych profilach kanałów, fig. 3 - fragment kotwi czterokanałowej z fig. 2 w uproszczonym widoku bocznym z częściowymi przekrojami, fig. 4 - kotew trzykanałową z kanałami wewnętrznymi o różnych średnicach w uproszczonym przekroju poprzecznym, fig. 5 - odmianę wieloprzewodowej kotwi iniekcyjnej o różnych polach przekroju kanałów i fig. 6 - uproszczony szkic poglądowy z boku na kotew z fig. 5 umieszczoną w otworze iniekcyjnym.

W skale 1 otaczającej wyrobisko 2 (fig. 1) wywiercony jest otwór iniekcyjny 3, do wnętrza którego włożona jest i uszczelniona kotew iniekcyjna 4. Kotew iniekcyjna 4 jest kotwią wielokanałową, z której każdy kanał wewnętrzny ma odrębnie zlokalizowany w płaszczu 5 otwór wylewowy 6. W pierwszej kolejności przez kotew iniekcyjną 4 zatłacza się środek iniekcyjno-wiążący o bardzo krótkim czasie żelowania, który podawany jest do otoczenia przez otwór wylewowy 6a zlokalizowany najbliżej wylotu otworu iniekcyjnego 3. Ponieważ środek wnika do szczelin stosunkowo dużych, zlokalizowanych na odcinku otworu iniekcyjnego 3 pomiędzy pakietami uszczelniającymi 7a i 7b i szybko w nich wiąże, powstaje wstępna strefa A uszczelnienia i wzmocnienia, odgradzająca skały głębiej leżące od wyrobiska 2. Następnie zatłacza się środek iniekcyjno-wiążący o dłuższym okresie żelowania do drugiego kanału wewnętrznego, a on wypływając przez otwór wylewowy 6b penetruje w szczeliny tworząc strefę B. W dalszej kolejności przez otwór 6c z następnego kanału wewnętrznego zatłacza się środek iniekcyjno- wiążący o jeszcze dłuższym czasie żelowania, przez co uzyskuje się następną, jeszcze większą strefę C. W końcu przez otwór wylewowy 6d z ostatniego kanału wewnętrznego zatłacza się środek iniekcyjno-wiążący o bardzo długim okresie żelowania, co pozwala na jego wnikanie nawet w bardzo niewielkie szczeliny i spękania i utworzenie największej strefy D wzmocnienia i uszczelnienia skał. Poszczególne strefy A, B, C i D mają zasięgi wynikające z rozgraniczeń między sąsiadującymi ze sobą otworami wylewowymi 6a, 6b, 6c i 6d w postaci pakietów uszczelniających 7a, 7b, 7c i 7d.

Służąca zatłaczaniu kotew iniekcyjną 4 (fig. 2, fig. 3) jest kotwią wielokanałową, której kanały wewnętrzne 8a, 8b, 8c i 8d mają otwory wylewowe 6a, 6b, 6c i 6d rozmieszczone na długości płaszcza 5, rozdzielone pakietami uszczelniającymi 7a, 7b, 7c i 7d.

Poszczególne kanały wewnętrzne 8a, 8b, 8c i 8d mają postać ćwiartki koła i powstały poprzez osadzenie we wnętrzu płaszcza 5 listwy profilowe 9 o profilu krzyżowym, zbudowanej z płaskowników 10 przenikających się we wspólnej osi wzdłużnej O. Wyloty kanałów wewnętrznych 8a, 8b, 8c i 8d są zamknięte czopami 11, natomiast kanał 8d jest na końcu otwarty, przez co powstaje otwór wylewowy 6d.

W innym wykonaniu kotew iniekcyjna 40 (fig. 4) ma w płaszczu 50 trzy kanały wewnętrzne 80a,

80b, 80c w postaci rur o zróżnicowanych co do wielkości profilach. Kanał 80a i 80b mają przekrój

PL 218 806 B1 większy, niż kanał 80c i są na swych końcach zamknięte na głucho czopami 110, przy czym kanały wewnętrzne 80a, 80b mają otwory wylewowe 60, 60b przechodzące przelotowo przez płaszcz 50.

Odmiana kotwi iniekcyjnej 4' (fig. 5) składa się z trzech przewodów 8'a, 8'b, 8'c rurowych, połączonych ze sobą, o zróżnicowanej długości. Dwa z tych przewodów 8'a i 8'b, o średnicach większych, są na końcach zamknięte czopami 11' i mają otwory wylewowe 6'a, 6'b zlokalizowane przed czopami 11'. Przestrzenie otworu iniekcyjnego 3 pomiędzy otworami wylewowymi 6'a i 6'b, a także 6'c i 6'd są rozdzielone pakietami uszczelniającymi 7'a, 7'b, 7'c.

Przedstawione przykłady wykonania nie wyczerpują wszystkich możliwości konstrukcji, wynikających z zastrzeżeń zależnych. Poszczególne kanały wewnętrzne mogą mieć przykładowo przekroje trójkątne, względnie prostokątne. Także samo płaszcze kotwi iniekcyjnych mogą mieć różne przekroje i być podzielone na większą ilość kanałów wewnętrznych.

Claims (20)

1. Sposób wzmacniania górotworu, polegający na zatłaczaniu przez kotew iniekcyjną osadzoną w otworze w otworze iniekcyjnym do skał środka iniekcyjno-wiążącego o dobranym składzie i czasie żelowania, znamienny tym, że do skał przez pojedynczą kotew iniekcyjną (4) zatłacza się odrębnie środki iniekcyjno-wiążące o zróżnicowanym czasie żelowania dla określonych, co najmniej dwóch stref (A, B, C, D) zatłaczania w obrębie tego otworu iniekcyjnego (3).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszej kolejności zatłacza się środek iniekcyjno-wiążący o najkrótszym czasie żelowania do strefy (A) najbliższej wlotowi otworu iniekcyjnego (3), po czym kolejno zatłacza się do następnych stref (B, C, D) środki iniekcyjno-wiążące o wzrastającym czasie żelowania.

3. Kotew iniekcyjną, zwłaszcza górnicza, mająca postać zbliżoną do odcinka rury i wyposażona w co najmniej jeden przelotowy otwór wylewowy wykonany na długości jej płaszcza, umożliwiający boczny wypływ z wnętrza kotwi do otworu iniekcyjnego środka iniekcyjno-wiążącego, a także posiadająca co najmniej jeden pakiet uszczelniający nasadzony na zewnętrzną powierzchnię płaszcza, znamienna tym, że posiada co najmniej dwa wzdłużne kanały wewnętrzne (8a, 8b, 8c, 8d), z których każdy posiada przynajmniej jeden niezależny otwór wylewowy (6a, 6b, 6c, 6d) w płaszczu (5), a część kanałów wzdłużnych (8a, 8b, 8c) jest na końcu zamknięta.

4. Kotew według zastrz. 3, znamienna tym, że każdy pakiet uszczelniający (7b, 7c, 7d) rozdziela otwory wylewowe (6a, 6b, 6c, 6d) z kanałów wewnętrznych (8a, 8b, 8c, 8d), najbardziej do siebie zbliżone na długości płaszcza (5).

5. Kotew według zastrz. 3, znamienna tym, że ma w wybranych kanałach wewnętrznych (8a, 8b, 8c) na ich końcu wchodzącym w głąb otworu iniekcyjnego (3) osadzone na trwale czopy (11).

6. Kotew według zastrz. 3, znamienna tym, że czopy (11) osadzone są na końcach pozostałych wszystkich, za wyjątkiem jednego, kanałów wewnętrznych (8a, 8b, 8c, 8d), a kanały zamknięte czopami (8a, 8b, 8c) mają odpowiednio rozmieszczone na długości płaszcza otwory wylewowe (6a, 6b, 6c).

7. Kotew według zastrz. 3 albo 4 albo 5 albo 6, znamienna tym, że kanały wewnętrzne (8a, 8b, 8c, 8d) mają jednakowe profile, o równych polach.

8. Kotew według zastrz. 7, znamienna tym, że kanały wewnętrzne (8a, 8b, 8c, 8d) utworzone są przez ściankę wewnętrzną płaszcza (5), oraz powierzchnie boczne listwy profilowej (9) zamocowanej na sztywno we wnętrzu płaszcza (5).

9. Kotew według zastrz. 8, znamienna tym, że listwa profilowa (9) ma postać prostokątnych płaskowników (10) przenikających się wzdłużnie tak, że przeprowadzone przez nie płaszczyzny przecinają się we wspólnej osi wzdłużnej (O).

10. Kotew według zastrz. 8, znamienna tym, że listwa profilowa (9) ma w przekroju poprzecznym profil regularnego krzyża.

11. Kotew według zastrz. 8 albo 9 albo 10, znamienna tym, że płaszcz (5, 50) ma postać rury o przekroju okrągłym.

12. Kotew według zastrz. 3 albo 4 albo 5 albo 6, znamienna tym, że kanały wewnętrzne (80a,

80b, 80c) mają zróżnicowane profile i pola.

13. Kotew według zastrz. 12, znamienna tym, że ma we wnętrzu płaszcza (50) osadzone na sztywno przewody (80a, 80b, 80c), korzystnie w postaci rurek.

PL 218 806 B1

14. Kotew według zastrz. 12 albo 13, znamienna tym, że kanały wewnętrzne (80a, 80b, 80c) mają zróżnicowaną długość, a przynajmniej przy końcu każdego z nich zlokalizowany jest przechodzący przez płaszcz (50), co najmniej jeden przynależny mu otwór wylewowy (60a, 60b).

15. Kotew według zastrz. 3 albo 6, znamienna tym, że otwory wylewowe (6, 60) są nachylone i skierowane w kierunku zgodnym z końcem płaszcza (5, 50).

16. Kotew według zastrz. 3, znamienna tym, że każdy z kanałów wewnętrznych (8, 80) jest wyposażony na wlocie w rozłącznie mocowane przyłącze montowane na czas zatłaczania tego kanału wewnętrznego (8, 80).

17. Kotew iniekcyjna, zwłaszcza górnicza, o postaci przewodu z co najmniej jednym otworem wylewowym, posiadająca pakiet uszczelniający zamykający przestrzeń między sąsiednimi otworami wylewowymi, znamienna tym, że jest połączona na stałe z co najmniej jednym, równoległym do niej przewodem (8'b, 8'c), przy czym otwory wylewowe (6'a, 6'b) każdego z przewodów (8'a, 8'b) zlokalizowane są na różnej długości od wlotu otworu iniekcyjnego (3) i najbliższe sobie otwory wylewowe (6'a, 6'b, 6''c) różnych przewodów (8'a, 8'b, 8'c) są rozdzielone pakietem uszczelniającym (7'a, 7'b, 7'c).

18. Kotew według zastrz. 17, znamienna tym, że każdy z przewodów (8'a, 8'b) o mniejszej długości ma koniec zamknięty czopem (11), przed którym znajduje się boczny otwór wylewowy (6'a, 6'b), a pakiet uszczelniający (7'a, 7'b, 7'c) zlokalizowany jest na odcinku zakończonym czopem (11).

19. Kotew według zastrz. 17 albo 18, znamienna tym, że przewody (8') mają zróżnicowane średnice wewnętrzne.

20. Kotew według jednego z zastrz. 17 do 19, znamienna tym, że każdy przewód (8) jest wyposażony w odrębne przyłącze do agregatu podającego środek iniekcyjno-wiążący.