Ing. Vladimír Krčmář CarboTech Bohemia, s.r.o., Lihovarská 10, 716 03 Ostrava Radvanice Tel.: (069)6258 412 Fax: (069)6232 993 E-mail: krcmar@carbotech.cz Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Moberg Rheinische Baustoffwerke GmbH, Auenheimer Straße, D-50129 Bergheim Tel.: +49(02271)589-200 Fax: +49(02271)589-190 NOVÉ TRENDY PŘI ŘEŠENÍ HORNICKÉ PROBLEMATIKY Z HLEDISKA PRODUKTŮ CTB Abstract The paper describes the latest types of anchors used in German and Polish coal mines and reinforcing construction materials based on the binder alpha-hemihydrate. 1. Úvod Společnost CarboTech Bohemia dodává na trh tři základní skupiny materiálů pro zpevňování a těsnění hornin a zemin: injektážní hmoty výplňové materiály kotevní prvky Ke všem materiálům jsou k dispozici zařízení pro jejich aplikaci s příslušenstvím. Rozsah využívání jednotlivých druhů materiálů v hornictví a v podzemním stavitelství je však rozdílný. Zatímco v hornictví jsou více nasazovány injektážní a výplňové materiály a méně kotevní prvky, v podzemním stavitelství je tomu naopak. Pokud se jedná o stříkané betony, které tvoří základ primárního ostění v podzemním stavitelství, ty se téměř přestaly v našich dolech používat. Firma CarboTech Bohemia proto v poslední době doplnila prodejní paletu o nové výrobky ze sortimentu kotevní výztuže a hydraulických prefabrikovaných směsí, které by měly zdokonalit a rozšířit uplatnění stabilizace hornin v důlních podmínkách. 2. Kotevní tyče Gewi Vývoj kotevních tyčí souvisí s vývojem geomechanických a stabilitních posouzení. Po několika selháních kotevní výztuže v německých kamenouhelných dolech na konci sedmdesátých a na začátku osmdesátých let se dospělo k chybnému závěru, že nepoddajná kotevní výztuž je vhodná do důlních děl, kde maximální konvergence nepřekročí 30 %. To mělo za následek omezení použití svorníkové výztuže a zahájení dlouhodobého vývoje kotev s poddajnou charakteristikou. Jejich ověření však skončilo neúspěšně a tento výsledek přispěl k totální změně dosavadní filosofie dimenzování svorníkové výztuže, kdy se opustila teorie zavěšeného tělesa a začaly se využívat a zdokonalovat metody založené na důkladném geologickém průzkumu, ze kterého se odvozuje předpokládané zatížení a potřebná únosnost výztuže.
Při pozorováních in situ se prokázalo, že kotevní výztuž s nejvyšší únosností vykazuje nejnižší konvergence. Stejně důležitá je však i tažnost (optimální poměr únosnosti na mezi kluzu a mezi pevnosti je ~ O,7). Svorník z vyvinuté vysoce legované oceli o nosnosti 700 kn se z důvodu nízké tažnosti neuplatnil. Od roku 1998 se u společnosti Deutsche Steinkohle používá jako standardní svorník pouze typ GW ø 25 mm s únosností na mezi pevnosti ~375 kn a tažností ~21 % [1]. Tomuto svorníku odpovídá jak tvarově, tak i materiálově typ GEWI. Charakteristika Ocelové kotevní tyče GEWI jsou opatřeny po celé délce speciálním průběžným pravotočivým závitem (obr.1). Při použití oceli 450/700 (hlavně pro oblast hornictví) se uplatňuje zejména její vysoká tažnost (okolo 20 %). Jsou však vyráběny i z ocelí jiných mechanických vlastností. Použití Kotevní tyče GEWI se používají převážně v pevných skalních horninách pro vyztužování tunelů, kolektorů, důlních a podzemních děl, ke stabilizaci svahů, stavebních jam a stavebních objektů. Dále se uplatňují při rekonstrukcích a sanacích objektů a obdobných pracích. Kotvy je možno dodat v délkách do 12 m podle přání zákazníků. Přednosti kotevních tyčí GEWI:!"vysoká únosnost v tahu!"kotevní tyč je opatřena závitem po celé délce umožňuje přizpůsobit délku tyče dle aktuální potřeby, usnadňuje manipulaci a předpínání, lze spojovat několik kusů!"malá citlivost na poškození závitu!"podstatně nižší cena než u svorníků z betonářské žebírkové oceli o jakosti 10 425.0 # % $ 1 Kulová šestihranná matice 2 Kalotová podložka 3 Kotevní tyč obr.1
Příslušenství Příslušenství tyčových kotev GEWI se sestává ze: - šestihranných matic s kulovou dosedací plochou - roznášecích plochých nebo kalotových podložek - speciálních spojníků Technické údaje Třída oceli MPa 450 / 700 Průměr tyče mm 16 18 20 22 Únosnost tyče na mezi kluzu kn 90 114 141 171 Únosnost tyče na mezi pevnosti kn 140 180 220 265 Hmotnost tyče kg/m 1,58 2,00 2,47 2,98 Třída oceli MPa 450 / 700 Průměr tyče mm 25 28 32 Únosnost tyče na mezi kluzu kn 221 277 362 Únosnost tyče na mezi pevnosti kn 345 430 560 Hmotnost tyče kg/m 3,85 4,83 6,31 Aplikace Kotevní tyče GEWI se upínají pomocí polyesterových lepicích ampulí nebo kotevními maltami na cementové bázi. V prvním případě se lepicí ampule vsune do předem připraveného vývrtu. Následně se do vývrtu zavede GEWI tyč, otáčením a zasouváním této kotevní tyče je obsah ampule rozmícháván a rovnoměrně vyplní obsah mezikruží. V případě použití kotevní malty je směs vtláčena do vývrtu buď před vlastní instalací kotvy nebo po instalaci je do vývrtu injektována pomocí injektážní trubičky. 2. Sklolaminátové kotevní tyče V podzemním stavitelství i v hornictví se často vyskytují případy, kdy výlom musí být dočasně zajištěn a v další fázi nastává jeho rozšiřování. Sem lze zařadit i opatření proti vyjíždění uhelného pilíře v porubech, tzv. jehlování, využívající dřevěných hranolků a patron PUR. Vyjíždí-li pilíř na větší vzdálenost, osazují se delší a únosnější kotevní prvky, než jsou dřevěné hranolky, např. sklolaminátové kotevní tyče nebo hydraulicky rozpínané svorníky. Použití sklolaminátových tyčí má v tomto případě celou řadu výhod:
rozpojovací orgán dobývacího kombajnu spolehlivě odřezává část svorníku v zabírce uhelná substance neobsahuje kovové části, které mohou vyvolat problémy při dopravě těživa, jeho zpracování v úpravnách, event. při dalším zpracování uhlí u konečných odběratelů. Z těchto důvodů není většinou v zahraničí povoleno používání kovových prvků pro stabilizaci uhelných pilířů a používají se výlučně sklolaminátové kotevní tyče. Charakteristika Sklolaminátové kotevní tyče jsou vyráběny z polyesterových pryskyřic a skleněných vláken a to buďz plných tyčí kruhového profilu nebo s vnitřním kanálkem pro dopravu injektážního média. Použití Rozsah použití sklolaminátových kotevních tyčí je značně široký. Jsou určeny pro kotevní práce v hornictví, v podzemním a pozemním stavitelství, pro kotvení a stabilizaci uhelných pilířů, stropů, boků nebo počvy důlních děl a podzemních staveb, ke stabilizaci svahů a stěn stavebních jam. Jsou vhodné zejména tam, kde je potřebné nejdříve stabilizovat horninu a následně je uvažováno s jejím výrubem, případně tam, kde se počítá s dlouhodobým účinkem kotvení. Možnost aplikace tlakové injektáže rozšiřuje použití sklolaminátových injektážních kotevních tyčí i do takového prostředí, kde je požadováno nejen zalepení tyče ve vývrtu, ale i účinné proinjektování okolního prostoru. Kotevní tyče takto spojují v jednom prvku kotevní a injektážní funkci. Vlastnosti sklolaminátových kotevních tyčí!"vysoká pevnost v tahu vysoká únosnost na mezi pevnosti, s rostoucím zatížením nedochází k protažení!"snadná odstranitelnost nepoškozují řezné nástroje a dopravní zařízení, nepřekáží při dobývání uhlí, při ražbě nebo při rozšiřování tunelů, používají se ke stabilizaci čela výrubu, neobsahují odpadový materiál ani kovové části!"odolnost proti korozi jsou odolné vůči korozi i v agresivním prostředí, po celou dobu životnosti nemění mechanické parametry, nevyžadují stále dražší antikorozní opatření!"snadná ohebnost umožňuje instalaci dlouhých tyčí i ve stísněných prostorách a zjednodušuje transport
!"nízká hmotnost čtyřikrát nižší hmotnost oproti ocelovým kotevním tyčím podstatně ulehčuje manipulaci a snižuje náklady na dopravu Sklolaminátové kotevní tyče typ 18, 22N mají kruhový plný profil a jsou vyrobeny za použití pojiva na bázi polyesterových pryskyřic a skleněných vláken. Sklolaminátové kotevní tyče typ 22S, 25 mají kruhový plný profil a jsou vyrobeny za použití pojiva na bázi termosetových polyesterových pryskyřic a skleněných vláken. Sklolaminátové kotevní tyče typ 22I jsou vyrobeny ze sklolaminátových trubek za použití pojiva na bázi termosetových polyesterových pryskyřic a skleněných vláken. Číselné označení typu kotevní tyče určuje vnější průměr v mm. Tyče jsou standardně dodávány v délkách 2, 3 a 4 m, resp. na přání zákazníka až do 12 m. Kotevní tyče typu 18 a 22N mohou být v provedení bez závitu se zářezem pro rozpěrný klín nebo se speciálním závitem, další typy jsou pouze v provedení se speciálním závitem. Příslušenství sestává z plastových šestihranných matic, kruhových roznášecích plastových podložek různých průměrů a provedení, případně dřevěných podložek a rozpěrných klínů. Technické údaje Typ kotevní tyče 18 22N 22S 22I 25 Průměr tyče vnější / vnitřní mm 18 / - 22 / - 22 / - 22 / 10 25 / - Únosnost tyče na mezi pevnosti v tahu kn 140 160 420 310 440 Únosnost závitu na mezi pevnosti v tahu kn 15 18 85 85 90 Hmotnost tyče kg/m 0,45 0,66 0,75 0,65 0,97 3. Systém stavebních hmot ProMont Firma Rhenische Baustoffwerke GmbH, divize ProMineral využívá energosádrovce z elektrárny Bergheim-Niederaußen pro výrobu pojiva alfa hemihydrát, které pak dodává do podniků na výrobu stavebních hmot pod obchodním názvem Alpha 2000. Účinek tohoto pojiva je charakterizován zejména velmi rychlým začátkem tvrdnutí a extrémně vysokou konečnou pevností. Díky tomu není nutné používat další aktivátory. Vysoký nárůst pevnosti v závislosti na čase umožňuje rychlou zatížitelnost stavebních materiálů. Díky vysoké čistotě vstupních surovin a průmyslovému zpracování je Alpha 2000 vysoce kvalitní pojivem s konstantními vlastnostmi. Pro optimální použití v různých stavebních hmotách jsou jeho vlastnosti upravovány mícháním komponent s rozdílnou jemností mletí.
Aplikace systému ProMont v hornictví a podzemním stavitelství Vlastnosti pojiva Alpha 2000 ho mimo jiné předurčují pro výrobu konsolidačních, zpevňovacích a výplňových materiálů pro hornictví a podzemní stavitelství. Na bázi pojiva Alpha 2000 byl vyvinut systém stavebních hmot ProMont pro jednotlivé druhy aplikací. Počáteční a konečné pevnosti těchto hmot jsou na úrovni betonů vyšších tříd, přičemž teplota při tvrdnutí je relativně nízká (okolo 40 o C). Všechny materiály jsou před uvedením na trh testovány a mají příslušné certifikáty. Kontrola kvality v průběhu celého výrobního procesu zaručuje konstantní vlastnosti a spolehlivost při aplikaci. Stavební materiály systému ProMont obr.2 Systém ProMont tvoří tyto výrobky (obr.2): - ProMont Dam Material ProMont stavební hmota pro stavbu hrází - ProMont Backfill Material ProMont stavební hmota pro vyplňování prostoru za výztuží - ProMont Spray Mortar ProMont nástřiková hmota - ProMont Consolidation Mortar ProMont konsolidační nástřiková hmota
- ProMont Sealing Mortar ProMont izolační nástřiková hmota - ProMont Rock Stabiliser ProMont injektážní hmota pro zpevňování hornin - ProMont Light Lightwight material ProMont lehčená stavební hmota ProMont stavební hmota pro stavbu hrází a pro vyplňování prostoru za výztuží Tento zrnitý materiál s velikostí částic do 4 mm je vhodný pro stavbu ochranných žeber, hrází, vyplňování prostoru za výztuží a vyplňování nadvýlomů. Zpracování a doprava jsou možné všemi běžnými stroji pro suchý i mokrý způsob. Doba zpracování je jedna hodina. Jedná se o rychle únosný materiál (obr.3). Firm ness process of dam - and backfilling m aterial 45 40 Crushing strength [N/mm²] 35 30 25 20 15 10 instant bearing ProM ont dam- and b ack fillin g m aterial late bearing 5 0 cavity filler early bearing 118m in 26 34 421 5 m in 50 58 1 h 66 3 h 74 5 h 82 1 2 h 90 1 d 98 2 d 106 3 d 114 7 d 122 13028 d T im e of setting obr.3 ProMont nástřiková hmota Jedná se o zrnitý materiál s maximální velikostí částic 4 mm pro nástřikové práce při stavbě hrází, větrních objektů, vyplňování nadvýlomů, sanačních pracích a stabilizaci hornin. Zpracování je možné všemi stroji pro suchý způsob nástřiku. Materiál se dá použít jako ihned nebo brzy únosný (obr.4).
Firm ness process of spray m ortar 45 40 35 ProM ont Spray mortar Crushing strength 30 25 20 15 instant bearing 10 late bearing 5 cavity filler early bearing 0 118m in 26 34 142 5 m in 50 158h 366h 574 h 182 2 h 190 d 298 d 3106 d 7114 d 122 2 8 130 d Time of setting obr.4 ProMont konsolidační nástřiková hmota Tento stavební materiál s velikostí zrna do 3 mm se používá pro zesilující nástřiky s vysokou pevností, stabilizaci hornin a sanaci důlních děl. Přednostmi tohoto materiálu jsou velmi vysoká konečná pevnost 50 MPa a ihned únosná charakteristika (obr.5). Aplikace se provádí jako u ProMont nástřikové hmoty. Firmness process of consolidating mortar 45 40 35 ProM ont consolidating mortar Crushing strength 30 25 20 15 10 instant bearing late bearing 5 0 cavity filler early bearing 118 m in 26 34 1 542m in 50 158 h 366 h 74 5 h 82 1 2 h 90 1 d 98 2 d 106 3 d 114 7 d 122 2 8130 d Time of setting obr.5
ProMont izolační nástřiková hmota Tato hmota je obdobná ProMont konsolidační nástřikové hmotě a používá se v podmínkách, kde požadavky na pevnost nejsou tak vysoké. Konečná pevnost činí 33 MPa a charakteristika tohoto materiálu je ihned/rychle únosná (obr.6). Firmness process of sealing mortar 45 40 Crushing strength 35 30 25 20 15 10 i nstant bearing ProM ont sealing mortar la te b e a rin g 5 0 c a v ity filler early bearing 18 1 m in 26 34 1 542m in 50 58 1 h 66 3 h 574h 182 2 h 90 1 d 298d 106 3 d 114 7 d 122 2 8130 d T im e o f setting obr.6 ProMont injektážní hmota pro zpevňování hornin Jedná se o práškový materiál s velikostí zrna < 0,1 mm. Hlavní oblastí použití je stabilizace a zpevňování hornin injektáží. Materiál je čerpatelný všemi standardními injektážními čerpadly pro cementové hmoty. Je lepkavý po 45 min. a vykazuje přídržnost 2,0 MPa po 24 hodinách. ProMont lehčená stavební hmota Zrnitá stavební hmota s lehčenými částicemi o velikosti do 4 mm. Používá se pro podpěrné vaky a zamezování prostupu plynů. Materiál se zpracovává v míchačce a dopravuje se běžnými čerpadly na beton. Velkou předností je nízká hustota 0,55 kg/dm 3. 4. Závěr V příspěvku byly představeny některé nové produkty v prodejní paletě společnosti CarboTech Bohemia určené pro stabilizaci a zpevňování hornin. Tyto výrobky jsou svými vlastnostmi na vysoké technické úrovni a jsou výhodné i cenovými relacemi s dosud
používanými ekvivalenty. Podmínkou pro získání jak krátkodobých, tak i dlouhodobých účinků z jejich používání je dodržování správných postupů při aplikaci. Literatura: [1] Opolony, K.: Einsatz von Ankerausbau bei der DSK. Sborník příspěvků mezinárodní konference Nowoczesne Technologie Górnicze 2001 Kotwienie, Ustroň 3.-4.9.2001, str. 381-404.