Materiały konferencyjne SEP 2024

Światłowodowy system pomiarowy DSI-FORBS (Fiber Optic Rock Bolts Sys- tem) zastosowany w PGG S.A. Oddział KWK Piast-Ziemowit Ruch Ziemowit Paweł Budzyński PGG S.A. Oddział KWK Piast-Ziemowit Ruch Ziemowit Henryk Kuźma DSI Schaum Chemie Anna Wierciuch-Głuch DSI Schaum Chemie STRESZCZENIE: Niniejszy artykuł dotyczy zadań zrealizowanych na przestrzeni ostatnich trzech lat mających na celu opracowanie rozwiązania pomiarowego przeznaczonego do monitorowania mas skalnych za pomocą światłowodowego systemu pomiarowego FORBS podczas eksploatacji wyrobiska podziemnego na terenie kopalni Piast-Ziemowit Ruch Zie- mowit (PGG S.A.). Głównym elementem skupiającym uwagę niniejszego artykułu jest konstrukcja stalowej kotwy prętowej (Ø22x2500mm) firmy MEROL, służąca do wzmacniania górotworu w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych, wyposażona w światłowodowy system pomiarowy oparty na punktowych czujnikach z siatką Bragga (ang. FBG – Fiber Bragg Grating). W treści artykułu zawarto: - informację dotyczącą przedmiotu jakim jest światłowodowa kotew pomiarowa FORBS, - opis zastosowanych i przeprowadzonych badań doświadczalnych kotwy FORBS, - opis instalacji i testowania światłowodowego systemu pomiarowego FORBS w warunkach eksploatacji wyrobiska pod- ziemnego kopalni Ziemowit, - rezultaty przeprowadzonych testów. SŁOWA KLUCZOWE: kotwy światłowodowe, kotwy, system pomiarowy, kotwy prętowe, monitoring. 1. WPROWADZENIE. Przedmiotem badań jest światłowodowa kotew pomiarowa FORBS stanowiąca w szczególności element zabezpie- czenia stropu w warunkach podziemnych przy równoczesnej możliwości odczytu zmiany odkształcenia, naprężenia i sił działających na kotew na całej jej długości. Technika kotwienia stropów i ociosów wyrobisk górniczych jest powszechnie znanym sposobem zabudowy wyrobisk podziemnych. Dla zachowania bezpieczeństwa pracy załogi kopalnianej istotnym czynnikiem jest znajomość obcią- żenia górotworu oddziaływującego na kotew, co od wielu lat realizowano poprzez wyposażenie kotew w elementy od- kształcalne pod wpływem sił ściskających, względnie w czujniki tensometryczne, umożliwiające wykonywanie pomiarów zmian odkształcenia kotwi pod wpływem obciążeń górotworu. Niemniej okazało się, że najdokładniejsze pomiary od- kształceń kotwi można wykonać dzięki wykorzystaniu czujników światłowodowych wyposażonych w punkty pomiarowe oparte na zjawisku Bragga (ang. FBG – Fiber Bragg Grating). Znany jest przykład kotwi z opisu WO9819044 A1, której pręt kotwiący z głowicą kotwiową ma co najmniej jeden, zamo- cowany nieruchomo wzdłuż pręta kotwiowego światłowód, który ma co najmniej jedną zintegrowaną siatkę Bragg i jest skonfigurowana do pomiaru zmiany naprężenia i/lub siły wywieranej na kotew poprzez kotwiony ośrodek. Światłowód mo- że być jeden, względnie więcej osadzonych w przygotowanych dla nich rowkach wzdłużnych, w których zamocowane są za pomocą kleju. Każdy ze światłowodów wyposażony jest grupę rozmieszczonych w odstępach od siebie siatek Bra- gga. Głowica kotwiowa ma przewidziane złącze do optycznego połączenia z urządzeniem naświetlającym i anali- zującym wyniki pomiarów. Oddziaływanie kotwionego ośrodka na kotew pomiarową jest śledzone ciągle, a jeśli odkształ- cenie kotwi przekraczają założone granice, może być generowany sygnał alarmowy. Zbliżona kotew znana jest również z opisu chińskiego wzoru użytkowego CN 202690096U jako element wykorzystywa- ny w górnictwie, budownictwie tuneli, czy wzmacnianiu skarp ziemnych. Kotew ta ma pręt z liniowymi, wzdłużnymi rowkami po obu stronach a w nich zamocowane na stałe w powłoce ochronnej czujniki światłowodowe, wyposażone w siatki Bragga. Interfejs takiej kotwi połączony jest z systemem akwizycji danych z czujników światłowodowych. Po- przez monitorowanie pozyskiwanych danych uzyskuje się wartości zmian odkształcenia pręta kotwi a przez to i czujnika światłowodowego w monitorowanym okresie czasu i konkretnym wybranym miejscu. Przedstawione powyżej kotwie pomiarowe oparte o światłowody z siatkami Bragga, mają ogromne zalety w porównaniu do uprzednio wykorzystywanych kotwi pomiarowych mechanicznych, względnie elektronicznych, o konstrukcjach bazu- jących przykładowo na tensometrach elektrooporowych. Niedogodnością jest jednak zbyt mała odporność na wydłużenie pręta kotwiowego, który w miarę obciążenia odkształca się sprężyście, a po przekroczeniu granicy sprężystości następuje jego plastyczne wydłużenie, zmierzające do zerwania pręta kotwiowego. Ponieważ zaś czujnik światłowodowy osadzony jest w pręcie kotwiowym w sposób sztywny, wydłużenie pręta kotwiowego powoduje jednocześnie oddziaływanie na czujniki światłowodowe, których odporność na wydłużenie jest niewielka z zakresu 1÷1,5% długości kotwi. Po przekrocze-