dr Adam Szade - Warsztaty Górnicze

WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 113 – 129
Maria BĄCZKOWSKA, Magdalena MACIOSZCZYK, Margota WESOŁY
Urząd Gminy Polkowice
Wojciech BOCHENEK, Henryk PASSIA, Adam SZADE
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom górniczym
na terenie miasta Polkowice
Streszczenie
Zbudowano system pomiarowy złożony z czujników optoelektronicznych i elektronicznych
takich jak: laserowy czujnik wychyleń (prod. GIG), czujnik przyspieszeń i czujnik propagacji
szczelin i szerokości dylatacji. Zapewniają one automatyczny precyzyjny pomiar wychyleń,
drgań i deformacji budynków z wielokanałową akwizycją danych w rejestratorach cyfrowych
oraz możliwością wizualizacji graficznej wszystkich wyników w formie wydruków przebiegów dobowych bądź charakterystyk drgań. Zestawy takie są instalowane na trzech obiektach
znajdujących się w różnych punktach miasta Polkowice. Przedstawiono przykłady reakcji
monitorowanych budynków na wpływy górnicze. Prezentacja jest jednocześnie relacją z realizacji Projektu Celowego.
1. Wstęp
Gmina Polkowice liczy ponad 26 000 mieszkańców, 22 000 z nich zamieszkuje w mieście
Polkowice, a pozostali w 15 sołectwach. Polkowice otrzymały prawa miejskie w 1265 roku. Po
drugiej wojnie światowej zostały doszczętnie zniszczone i utraciły prawa miejskie, które
odzyskały w 1966 r. Od tego czasu Polkowice rozpoczęły nowy etap rozwoju związany ze
zlokalizowanym na tym terenie przemysłem miedziowym. W granicach administracyjnych
gminy Polkowice leżą obszary górnicze: „Lubin I”, „Rudna I”, „Rudna II”, „Polkowice II”
i „Sieroszowice I”.
KGHM „Polska Miedź” S.A. w Lubinie posiadający koncesję na eksploatację złoża rud
miedzi wraz z metalami współwystępującymi w granicach zatwierdzonych obszarów górniczych, stanowi solidny fundament gospodarczy dla całego subregionu polkowickiego.
W latach dziewięćdziesiątych następuje przyspieszenie rozwoju ekonomicznego, społecznego i kulturalnego gminy i miasta, czego dowodem jest m.in. „stary rynek” wyburzony
i sukcesywnie odbudowany po roku 1991. Ponieważ fasady budynków pierzei zachodniej,
wschodniej i południowej stanowiły zabytek zostały odbudowane pod nadzorem konserwatora
zabytków. Pierzeja północna wybudowana w latach siedemdziesiątych, bez pełnych
zabezpieczeń na szkody górnicze, została również wyburzona, bo naprawa szkód górniczych
i wzmocnienia okazały się ekonomicznie nieuzasadnione.
113
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
1.1. Charakterystyka złoża
Złoże rud miedzi zalega w środkowej części Monokliny Przedsudeckiej. W budowie
geologicznej obszaru wyróżnić można trzy duże kompleksy skał:
 kompleks skał krystalicznych, najstarszy pochodzący z paleozoiku, będący przedłużeniem
bloku przedsudeckiego i stanowiący podłoże monokliny,
 kompleks skał osadowych permu i triasu, wchodzący w skład monokliny, na który składają
się: czerwony spągowiec (~315 m), utwory cechsztynu (~310 m) i pstry piaskowiec (~440 m),
 kompleks utworów trzecio- i czwartorzędowych, obejmujący: utwory trzeciorzędowe
(~360 m), utwory czwartorzędowe (~60 m).
Poszczególne utwory zalegają na sobie dyskordantnie. Złoże rudy miedzi zalega w spągowych utworach cechsztynu i w piaskowcach czerwonego spągowca na głębokościach od 710 m
do 1250 m.
W złożu występuje szereg zaburzeń tektonicznych, w tym głównie strefy uskoków:
– strefa „Biedrzychowa” o zrzucie przekraczającym 40 m,
– strefa „Paulinów” o zrzucie od kilku do kilkunastu m,
– strefa „Rudna Główna” o zrzucie do 31 m.
W profilu geologicznym złoża można wyróżnić pięć zasadniczych pięter wodonośnych:
– czwartorzędowy,
– trzeciorzędowy,
– pstrego piaskowca,
– cechsztynu,
– czerwonego piaskowca.
1.2. Opis dokonanej i projektowanej eksploatacji
Eksploatacja górnicza jest prowadzona pod terenami niezabudowanymi, pod zabudowanymi
w zabudowie wiejskiej, a także w filarze ochronnym miasta Polkowice, również w filarach ochronnych szybów górniczych, i filarach ochronnych dla przemysłowych obiektów przyszybowych.
Poza filarami ochronnymi złoże eksploatuje się systemem filarowo-komorowym z upodatnieniem. System filarowo-komorowy dwuwarstwowy z podsadzką hydrauliczną stosuje się do
wybierania złóż o miąższości około 14,0 m, z modyfikacją w filarze ochronnym miasta. Dla
złóż o miąższości do 6,0 m stosuje się system filarowo-komorowy jednoetapowy z podsadzką
hydrauliczną.
Decyzją OUG z dnia 24.08.1974 r. został utworzony filar ochronny dla miasta Polkowice,
a w dniu 20.06.1978 r. OUG zezwolił na prowadzenie eksploatacji w tym filarze. Do roku
1983 eksploatacja w filarze miasta była prowadzona zawał. W tym okresie bardzo wzrosła
sejsmiczność. Po protestach mieszkańców i władz miasta zatrzymano eksploatację w filarze
ochronnym miasta i przystąpiono do wzmacniania profilaktycznego budynków. Dopiero
w lutym 1991 roku podpisano z Radą Gminy Polkowice porozumienie dopuszczające prowadzenie eksploatacji w filarze ochronnym miasta, pod szczególnymi warunkami; m.in. likwidacji przestrzeni wybranej na pełną podsadzkę hydrauliczną.
W latach 1999 – 2000 w filarze ochronnym miasta Polkowice dopuszczony był system
eksploatacji – grubego złoża o miąższości do 14,0 m – dwuetapowy z niepełną podsadzką
hydrauliczną, mimo protestu Burmistrza Gminy złożonego Przewodniczącemu Komisji do
Spraw Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym. Eksploatacja w filarze
ochronnym miasta Polkowice będzie prowadzona do 2005 roku; do 2004 roku na podstawie
114
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
pozytywnie zaopiniowanego przez Komisję do Spraw Ochrony Powierzchni przy Wyższym
Urzędzie Górniczym „Programu eksploatacji i ochrony powierzchni w filarze ochronnym
miasta Polkowice”, w którym przyjęto, że likwidacja przestrzeni wybranej będzie dokonywana
na pełną podsadzkę hydrauliczną. Do 2013 roku Przedsiębiorca posiada koncesję na
eksploatację złóż: „Lubin I”, „Polkowice II”, „Rudna I”, „Sieroszowice I”, a do 2046 roku ze
złoża „Rudna II”.
1.3. Opis wpływów bezpośrednich i pośrednich dokonanej eksploatacji
Skutki prowadzonej eksploatacji górniczej na powierzchni terenu górniczego ujawniają się
w postaci:
– wpływów bezpośrednich, przejawiających się jako deformacje ciągłe, będące rezultatem
wybierania złoża i powstania, a następnie likwidacji pustki poeksploatacyjnej;
– wpływów pośrednich: związanych z drenażem górotworu przez prace górnicze, konsolidację odwadnianych warstw trzeciorzędowych i obniżeniami w wyniku odwodnienia,
– wpływów parasejsmicznych, spowodowanych wstrząsami górniczymi.
Podstawową metodą rejestracji wpływów bezpośrednich jest rejestracja ich wielkości
w miejscu występowania za pomocą obserwacji geodezyjnych. Metody geodezyjne stosuje się
także do określania wpływów pośrednich związanych z drenażem górotworu i jego
odwodnieniem – występujących w postaci wielko powierzchniowych niecek obniżeniowych.
Pomiary geodezyjne są bardzo poprawnie prowadzone przez poszczególne Oddziały
KGHM „Polska Miedź” S.A. w Lubinie; obejmują okres od początku działalności górniczej
i prowadzone są na bieżąco.
W granicach administracyjnych miasta i gminy Polkowice stwierdzono pomiarami I i II
kategorię terenu do zabudowy, a sporadycznie poza terenami nie zabudowanymi występuje III
kategoria terenu do zabudowy.
Bardzo trudną i kontrowersyjną sprawą było określenie wpływów pośrednich – parasejsmicznych. Dla gminy Polkowice, zgodnie z wymienionymi w literaturze opracowaniami, były
one określane w terenie wiejskim zabudowanym w IV, V i VI stopniu intensywności w skali
MSK-64 (Centrum Badawczo Projektowe Miedzi „CUPRUM” Sp. z o.o. 2000).
W mieście Polkowice istnieje zabudowa budynkami wielkoblokowymi, wielkopłytowymi
i opartymi na szkielecie prefabrykowanym (5-cio i 11-to kondygnacyjne), a także zabudowa
jednorodzinna. Ogólnie w mieście Polkowice budynki zabezpieczone są na V stopień
intensywności drgań w skali MSK-64, a 8 budynków 11-to kondygnacyjnych jest zabezpieczonych na VI stopień intensywności drgań. Budynki jednorodzinne do 1983 roku były
wznoszone zgodnie z podanymi warunkami zabudowy, ale bez zabezpieczeń na wpływy od
wstrząsów pochodzenia górniczego.
1.4. Prognozowane wpływy eksploatacji górniczej
W gminie Polkowice do 2012 roku przewiduje się I, II, III i IV kategorię terenu górniczego
do zabudowy oraz maksymalnie VI stopień intensywności drgań w skali MSK-64. Kategoria
IV terenu do zabudowy wystąpi poza terenami zabudowanymi (Popiołek 1998).
Zgodnie z Opracowaniem Centrum Badawczo Projektowego Miedzi „CUPRUM” [2]
w filarze ochronnym miasta Polkowice do 2010 roku wystąpi I i II kategoria terenu do
zabudowy oraz przyspieszenie drgań max. 330 mm/s2, a przy wstrząsach o energiach rzędu
E8J: a < 350 mm/s2.
115
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
1.5. Działania podjęte przez urząd gminy
Ponieważ we wrześniu 1998 roku Komisja Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie
Górniczym pozytywnie zaopiniowała prowadzenie eksploatacji grubego złoża w filarze
ochronnym miasta Polkowice z likwidacją przestrzeni wybranej z niepełną podsadzką
hydrauliczną, Zarząd Gminy Polkowice zadecydował o prowadzeniu niezależnych pomiarów
parametrów drgań gruntu wywołanych wstrząsami pochodzenia górniczego, jak i monitoringu
konstrukcji budynków podczas wstrząsów pochodzenia górniczego.
Ze względu na znaczny wzrost sejsmiczności w rejonie filara ochronnego miasta Polkowice
(od listopada 1998 roku do listopada 2000 roku wystąpiło sześć wstrząsów o energii większej
od 1,0x108J) Zarząd Gminy w obawie o bezpieczeństwo mieszkańców postanowił rozbudować
sieć pomiarową parametrów drgań gruntu i budynków przy jednoczesnym pomiarze przyspieszenia drgań i wychyleń elementów konstrukcyjnych, co jest m. in. przedmiotem umowy
z Komitetem Badań Naukowych i Głównym Instytutem Górnictwa jako Realizatorem projektu
celowego.
2. System pomiarowy opracowany w ramach projektu celowego
W ramach części badawczo-rozwojowej tego projektu w GIG opracowano model, a po
badaniach laboratoryjnych realizowana jest budowa prototypu systemu do ciągłego monitoringu wskazanych obiektów na terenie miasta.
Dla przeprowadzenia prób ruchowych elementów zestawu wybrano trzy budynki – leżące
w różnych częściach miasta (rys. 2.1.) – o lokalizacji przy ulicy Hubala (B), przy ulicy
Ratowników (A) oraz przy ul. 11 lutego (C). Są to 11-to kondygnacyjne budynki z wielkiej
płyty (A i B) oraz piętrowe – murowane – przedszkole (C), które znajduje się na granicy
obszaru eksploatacji górniczej – w strefie wpływów bezpośrednich.
Takie rozmieszczenie systemu pomiarowego umożliwi optymalne porównanie danych
pomiarowych w tych samych okresach czasu (np. wystąpienia wstrząsu) z uwzględnieniem
specyfiki danego obiektu, jego położenia i klasyfikacji zarejestrowanych wartości przyspieszeń
w gruncie.
System monitoringu zaproponowany w projekcie obejmuje czujniki, które rejestrują automatycznie i w sposób ciągły wychylenia, przyspieszenia, szerokość szczelin. Podjęto również
próby pomiaru naprężeń w konstrukcji nośnej, poprzez rejestrację odkształceń postaciowych
wybranej kondygnacji. Całość spełnia w ten sposób wymagania określone w normach
(PN-85/B-02170, PN-88/B-02171) i opracowaniach (Kwiatek i in. 1997; Kwiatek 1999;
Kawulok, Sulimowski 1999; Cholewicki 1999), które wskazują na rozmieszczenie punktów
i kierunków pomiarowych, podają sposoby sprawdzania wpływów dynamicznych na budynek
i określają utratę jego wartości użytkowych.
2.1. Budowa prototypowego zestawu pomiarowego
Zasadniczymi elementami zestawu do ciągłego monitoringu wpływów górniczych na
budynki są:
– laserowy czujnik wychyleń prod. GIG,
– scalony mikropojemnościowy czujnik przyspieszeń,
– potencjometryczny bądź optoelektroniczny czujnik propagacji szczelin i rozwarcia dylatacji,
– czujnik naprężeń,
116
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
– cyfrowy rejestrator danych pomiarowych na obiektach,
– centrum komputerowej analizy danych w Urzędzie Gminy,
– oprogramowanie pomiarowe.
Rys. 2.1. Rozmieszczenie elementów systemu pomiarowego na terenie miasta,
A, B, C – obiekty monitorowane, D – centrala
Fig. 2.1.System elements layout in the town area; A, B, C – monitored structures, D – control room
Każdy z wymienionych wyżej czujników zbudowany jest z zasadniczych podzespołów,
którymi są: układ zasilania czujnika, „elementy czynne czujnika” (pomiarowe, takie jak detektory, źródła światła), układy wzmacniania sygnału i transmisji. Wymienione elementy
stanowią składniki analogowej części toru pomiarowego systemu.
Sygnały pomiarowe z czujników zainstalowanych na danym obiekcie, poprzez transmisję
przewodową (dwutorową, będącą zarazem torem zasilania czujnika) przekazywane są do
jednego – wspólnego – cyfrowego rejestratora danych pomiarowych, tak jak na rysunku 2.2.
Jest on zbudowany na bazie komputera PC, wyposażonego w 16-bitową, 8 kanałową kartę
przetwornika analogowo-cyfrowego i klasyczne nośniki danych pomiarowych w postaci
dwóch stacji dysków. Oprogramowanie systemowe umożliwia lokalne sterowanie, zadawanie
parametrów i przeglądanie danych pomiarowych.
117
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
Rys. 2.2. Zestaw pomiarowy: czujnik przyspieszeń, czujnik szerokości szczeliny, czujnik wychyleń
i cyfrowy rejestrator pomiarowy
Fig. 2.2. Measuring set: accelerometric sensor, fissure measuring sensor, tilt sensor, digital recorder
Na wybranym obiekcie montowane są każdorazowo: czujnik wychyleń „α” i przyspieszeń
„a”; tam gdzie występują szczeliny w konstrukcjach nośnych lub szczeliny dylatacyjne – czujnik rozwarcia „d” (rysy, dylatacji) lub czujnik odkształceń konstrukcji nośnej „F”. Na obiektach rozciągłych i wysokich mogą być instalowane większe ilości wymienionych czujników.
Dane zarejestrowane na dyskietkach przenoszone są do komputera PC w centrali, gdzie
następuje ich archiwizacja i gdzie dokonywane są analizy, obliczenia i ilustracje wybranych
zależności w funkcji czasu rejestracji. W wersji zdalnego nadzoru systemu monitoringu kilku
obiektów, przyjęto – po analizie ekonomicznej założeń modelowych – zastosowanie do transmisji danych z rejestratora do komputera w centrali modułów telefonii komórkowej. Rejestratory cyfrowe znajdujące się w monitorowanych budynkach połączone są kablem (RS
i zasilanie) z modemem telefonu komórkowego, który „na żądanie” udostępnia pliki z danymi
i przesyła je do komputera w centrali.
2.2 Krótka charakterystyka elementów systemu
2.2.1. Laserowy czujnik wychyleń
W zastosowanej metodzie pomiaru wychyleń monochromatyczna wiązka światła o przekroju kołowym przechodzi jednokrotnie przez klin cieczowy o znanym współczynniku
załamania światła n i pada bezpośrednio na fotodetektor umieszczony centralnie w ustalonej
odległości L pod klinem cieczowym (Szade i inni, Polski patent nr 151 105; Szade, Passia,
Lipowczan 1996).
Detektor składa się z czterech aktywnych segmentów pomiarowych, a każdej parze można
przypisać jeden z kierunków np. geograficznych. Schemat ideowy czujnika przedstawiono na
rysunku 2.3. Zasadnicze jego części to: nadajnik, kuweta z cieczą (pryzmat cieczowy),
118
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
detektor, spodarka i obudowa. Skręcone razem korpusy nadajnika i detektora mocowane są
w uchwycie, na którym opiera się osłona czujnika, a całość instalowana jest w spodarce
geodezyjnej.
Układ przedwzmacniacza i kontroli emisji światła (stabilizacji mocy wiązki) znajduje się
w osobnej obudowie. W oddzielnej obudowie instalowany jest również rejestrator cyfrowy
z układem zasilającym.
W nadajniku mocowane jest źródło światła – półprzewodnikowa dioda laserowa lub monochromatyczna dioda LED o dużej jasności oraz układ soczewek i przesłon formujących wiązkę
światła o przekroju okrągłym (φ 7 mm) na powierzchni detektora. Wiązka ta biegnie z nadajnika do układu detekcyjnego, w którym są mocowane kolejno „od góry”: kuweta z cieczą
i w regulowanej odległości – segmentowa fotodioda. Jest to krzemowa epiplanarna fotodioda
PIN o dużym polu powierzchni światłoczułej (1 cm2). Powierzchnia światłoczuła ma kształt
koła podzielonego na 4 równe segmenty. Sygnał z fotodetektora wzmacniany jest różnicowo
w dwukanałowym wzmacniaczu pomiarowym, opartym na wysokiej klasy układzie scalonym
INA 2128 firmy Burr-Brown. Poziom wzmocnienia jest dobierany w trakcie kalibracji
czujnika, tak aby dla pełnego zakresu pomiarowego uzyskać sygnał wyjściowy + 5 V, odpowiadający napięciu wejściowemu przetwornika A/C rejestratora cyfrowego.
Rys. 2.3. Schemat ideowy optycznego czujnika wychyleń
Fig. 2.3. Schematic of optical tilt sensor
119
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
Wzmocniony sygnał poddawany jest filtracji w układzie dolnoprzepustowym w celu
ograniczenia pasma sygnału i usunięcia zakłóceń wysokoczęstotliwościowych.
Czujnik zapewnia automatyczny pomiar amplitudy wychyleń w dwóch kanałach (N-S,
E-W) z dokładnością 0,01 mm/m, w wybranym zakresie pomiarowym od 0 do 2 mm/m, aż do
zakresu od 0 do 50 mm/m (Szade, Passia, Lipowczan 1996; Szade i in. 1998).
2.2.2. Układ do pomiaru przyspieszeń
W metodzie pomiaru przyspieszeń w zakresie bardzo niskich częstości ( < 30 Hz) zastosowano scalony czujnik przyspieszeń stałych i zmiennych ADXL 05 firmy Analog Device.
Charakteryzuje się on bardzo małymi rozmiarami, co spowodowało łatwość jego wbudowania
do istniejącej konstrukcji, nowoczesnością rozwiązań oraz łatwością przetwarzania sygnału.
Jego schemat blokowy przedstawia rysunek 2.4. Pomiar możliwy jest tylko dla jednego
wyróżnionego kierunku. Jest on wykonany w postaci mikromechanicznych układów kondensatorowych, których pojemność zmienia się pod wpływem oddziaływującego przyspieszenia.
Zakres pomiarowy czujnika ADXL 05 wynosi + 5g przy rozdzielczości 5 mg, a pasmo
częstotliwości mierzonych przyspieszeń 0 – 1 kHz. Parametry te można modyfikować za pomocą
zewnętrznych elementów (Szade i inni 1999; Bochenek i inni 2000).
Dla zastosowań ujętych w niniejszym opracowaniu przyjęto następujące parametry:
– zakres pomiarowy + 0,5 g (możliwość regulacji do + 5 g),
– poziom szumów 2 mg pasmo częstotliwości pomiaru 0 – 12 Hz,
– napięcie wyjściowe dla pełnego zakresu: + 5 V.
Rys. 2.4. Schemat blokowy czujnika przyspieszeń
Fig. 2.4. Block diagram of acceleration
Czujnik przyspieszeń dla trzech osi wraz z towarzyszącą elektroniką najczęściej jest
związany mechanicznie z korpusem czujnika wychyleń, tak jak na rysunku 2.5.
120
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Rys. 2.5. Mikroukładowy czujnik przyspieszeń zamontowany na czujniku wychyleń
Fig. 2.5. Chip acceleration sensor mounted on the tilt sensor
2.2.3. Czujnik szerokości szczelin
Widoczne uszkodzenia elementów nośnych konstrukcji (rysy i spękania murów nośnych,
połączeń między ścianami, nadproży, filarów itp.) świadczą o zmniejszeniu wytrzymałości
konstrukcji budynku. Destrukcyjny (lub nie) charakter oddziaływań zewnętrznych na budynek
można potwierdzić poprzez ciągły monitoring rozwarcia najbardziej widocznych szczelin, rys
czy spękań. Czujniki zastępują plomby cementowe lub szkiełka. Tam, gdzie budowla posiada
konstrukcyjne szczeliny dylatacyjne można mierzyć ich rozstaw w funkcji czasu i wpływów
górniczych. Dla dylatacji i dużych szczelin korzystne i wystarczające jest stosowanie liniowych, miniaturowych przetworników położenia ze ścieżką rezystancyjną.
Zastosowano dwa przetworniki (prod. Duncan i Sakae), o zakresach pomiarowych: do 5
i do 15 mm. Korpus czujnika montowany jest po jednej stronie dylatacji, a bagnet z krążkiem
oporowym po drugiej. Przetwornik umocowany jest na „saniach” z amortyzatorem sprężynowym.
Dla spękań i rys opracowano i wykonano prototyp optoelektronicznego pomostu pomiarowego, którego schemat ideowy przedstawiony jest na rysunku 2.6 i który jest zarazem
czujnikiem przemieszczeń z możliwościami zastosowań, takimi jak na rysunku 2.7.
Jego zasadniczymi elementami są: dioda LED emitująca widzialne światło, układ soczewek
formowania (ogniskowania) wiązki znajdujące się na uchwycie montowanym po jednej ze
stron rysy. Nad wiązką laserową z gaussowskim rozkładem mocy umieszcza się fotodetektor
położenia, który innym uchwytem jest związany z drugim brzegiem szczeliny.
Można tutaj zastosować czterosegmentową fotodiodę, taką jak w czujniku wychyleń.
Mierzalny sygnał pomiarowy z detektora uzyskuje się przy setnych częściach milimetra
przesunięcia plamki po powierzchni detektora.
121
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
Rys. 2.6. Schemat ideowy czujnika optoelektronicznego do ciągłego pomiaru rozwarcia szczelin
Fig. 2.6. Schematic of optoelectronic sensor for continuous measurement of fissure spacing
Rys. 2.7. Zastosowania czujnika przemieszczeń: a) pomiar propagacji rozwarcia szczeliny,
b) pośredni pomiar odkształcenia postaciowego
Fig. 2.7. Application of displacment sensor: a) measurement of propagation of fissure spacing;
b) indirect measurement of non-dilatational strain
2.2.4. Czujnik naprężeń
Zamiast światłowodowego czujnika z wykorzystaniem interferometru Michelsona (założenia modelowe, wysoki koszt przedsięwzięcia) zastosowano metodę pośredniego pomiaru
122
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
naprężeń (sił i momentów) drogą pomiaru wyboczenia ramy pod obciążeniem dynamicznym,
rozumianego jako pomiar nachylenia ściany względem stropu (rozwiązaniem równania różniczkowego jest wielkość tego kąta w funkcji sztywności na zginanie i momentów zginających).
Idea pomiaru rozwarcia szczelin oraz naprężeń poprzez pomiar kąta między stropem i ścianą
jest przedstawiona na rysunku 2.7.
2.2.5. Cyfrowy rejestrator danych
Jest nim system oparty na wielokanałowej karcie przetwornika A/C o rozdzielczości
12-bitów, komputerze klasy IBM PC ze stacją dysków 1,44 MB oraz dyskiem stałym.
Pakiet oprogramowania do akwizycji i analizy danych z systemu 4 czujników wychyleń,
opracowany został w całości w GIG dla potrzeb rejestracji i analizy danych z laserowego
czujnika wychyleń budowli. Pakiet ten, o nazwie CHAN8, pozwala na rejestrację i analizę
zarówno amplitudy poprzecznych drgań chwilowych o czasie relaksacji > 0,05 sek., jak
i amplitudy wychyleń długoterminowych w okresach wielomiesięcznych. Rejestracja odbywa
się w sposób ciągły z częstością > 4000 próbek/sek., przy czym zapamiętywane są maksymalne
wartości amplitud, zarejestrowanych przez urządzenia pomiarowe w ciągu każdej minuty.
Do akwizycji danych służy program CHAN8GD wchodzący w skład pakietu. Współpracuje on z kartą analogowo-cyfrową ADC-2043 i rejestruje w rzeczywistości wartości liczbowe
uzyskiwane z przetworzenia sygnałów analogowych z ośmiu kanałów (dwa kanały dla każdego
z czujników, np. dla kierunku W-E oraz N-S).
Do przedstawienia rejestracji w formie graficznej służy program CVIEWER8.
Wszystkie programy współpracują ze zbiorem STATUS, zawierającym m.in. po 2 współczynniki kalibracyjne na każdy czujnik, służące de przetworzenia zarejestrowanych danych do
postaci metrycznych wartości w każdym z dwóch prostopadłych do siebie kierunków.
Pakiet CHAN IV jest także dostosowany do akwizycji danych z czujnika przyspieszeń.
W wybranych kanałach zamiast wychyleń rejestrowane są maksymalne i minimalne wartości
przyspieszeń. Wszystkie elementy wymagają jedynie programowej zmiany opisu wielkości
mierzonych z [mm/m] na [mg] (g = 9,81m/s2) i odpowiedniego dobrania odpowiadających im
współczynników kalibracji.
Program RABE dla zintegrowanego czujnika wychyleń i przyspieszeń.
Program RABE służy do ciągłej rejestracji wychyleń w osiach N-S i E-W oraz rejestracji
przyspieszeń w osiach X (N-S), Y (E-W) i Z.
Parametry zapewniane podczas akwizycji danych:
–
częstotliwość próbkowania: od 100 – 500 Hz w każdym kanale pomiarowym,
–
regulowany zakres pomiarowy,
–
dla wychyleń: 1 – 10 mm/m,
–
dla przyspieszeń: 50 – 1000 mg,
–
zadawany próg wyzwalania rejestracji przyspieszeń: 0 – 50% zakresu pomiarowego,
–
czas wyzwolonej rejestracji przyspieszeń: 2 – 10 s,
–
ciągły podgląd rejestrowanych wartości cyfrowych.
Zarejestrowane dane z wychyleń zapisywane są w formacie umożliwiającym ich przeglądanie przy pomocy programów pakietu CHAN4, mogą być też wprowadzane do arkusza
kalkulacyjnego, co umożliwia wizualizację postaci drgań i dalsze przetwarzanie, np. analizę
widmową Fouriera.
123
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
Rys. 2.8. Widok okna monitora kontrolnego
Fig. 2.8. View of the window of the control monitor
2.3. Badania laboratoryjne czujników
Zakres badań laboratoryjnych wyposażenia wykonanego w ramach projektu obejmował
wyznaczenie charakterystyk pomiarowych, tj. głównie zakresów pomiarowych, liniowości
i czułości czujników opisanych powyżej.
Głównym elementem stanowiska pomiarowego, dla określania zakresów pomiarowych
i czułości, zgodnie z procedurą pomiarową BR2-01, jest sztywna płyta o długości 1 m podparta
przegubowo z jednej strony, a z drugiej oparta na pionowo ustawionym stoliku przesuwnym ze
śrubą mikrometryczną. Na płycie tej umieszczony jest badany czujnik. Jego wychylenia wraz
z płytą zmieniano kręcąc śrubą mikrometryczną z jednoczesnym odczytem wartości przesuwu
pionowego. Odpowiada on przy takiej geometrii wychyleniom wyrażonym bezpośrednio w mm/m.
Badanie zależności dynamicznych prowadzone było na trzech stanowiskach. W Laboratorium Techniki Laserowej funkcjonuje wychylny stół, którego wychylenia w czasie są
zadawane przy pomocy obracających się mimośrodów lub krzywek o zadanym profilu. System
przekładni napędzany silnikiem krokowym (Metra Blansko), stosowanym w rejestratorach
taśmowych, obraca wałem, na którym są mocowane krzywki. Prędkość przesuwu po obwodzie
może być regulowana w granicach od 10 do 600 mm/h, co pozwala na wprowadzanie
wychyleń do 10 mm/m z przyspieszeniami do 2500 mm/s2.
Badania charakterystyki amplitudowej czujnika przyspieszeń w funkcji wybranych częstotliwości wg skali tercjowej w granicach od 1 do 30 Hz przeprowadzono w Laboratorium
Akustyki Technicznej GIG, w oparciu o akredytowaną procedurę pomiarową BR1.03.3:
„Badania drgań mechanicznych budynków”.
Pomiary prowadzono dla przyspieszeń o maksymalnych amplitudach w piku: 200, 500,
1000, (1500) mm/s2, dla częstotliwości: 1, 5, 10, 30 Hz w przypadku drgań w płaszczyźnie
X-Y, oraz dla przyspieszeń o maksymalnych amplitudach w piku: 500 i 1000 mm/s2, lecz dla
częstości z tercjowego rozkładu: 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 15 Hz. Przeprowadzono analizę
ilościową i jakościową wyników badań. Ilościowo wyznaczono charakterystykę amplitudową
w funkcji częstotliwości dla scalonego czujnika przyspieszeń.
W ramach pomiarów laboratoryjnych czujników przemieszczeń (dylatacje, szczeliny),
wyznaczono dokładnie charakterystyki przemieszczenie – napięcie. Wielkość przemieszczenia
124
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
zadawano w układzie pomiarowym za pomocą śruby mikrometrycznej. Liniowość charakterystyk obydwu czujników wynosiła 0,4%.
3. Pomiary wpływów górniczych na wybrane budynki
3.1. Umiejscowienie czujników
Dla przeprowadzenia prób ruchowych elementów systemu wybrano trzy budynki leżące
w różnych częściach miasta, tak jak na rysunku 2.1.
Pierwszą lokalizacją był 11-kondygnacyjny budynek mieszkalny przy ulicy Ratowników
(A) – jednonawowy z pojedynczą dylatacją i trzema klatkami schodowymi budynek z wielkiej
płyty. Jego konstrukcja była wzmacniana ścianami wewnętrznymi do wysokości 4-tego piętra.
Czujniki wychyleń zostały przymocowane do ścian nośnych na poziomach 4 – 5 i 10 – 11
piętra oraz na fundamencie, tak jak na rysunku 3.1. Czujnik przyspieszeń w płaszczyźnie X-Y
oraz czujnik szerokości dylatacji znajdują się na 11 kondygnacji. Wszystkie obsługiwane są
przez jeden rejestrator.
Rys. 3.1. Laserowe czujniki wychyleń w budynku: czujnik (zdjęcie lewe), rejestrator cyfrowy
Fig. 3.1. Laser tilt sensor in the building: sensor (on the left), digital recorder
Połączenia kablowe wewnątrz budynku zapewniają zasilanie czujników i zwrotnie transmisję sygnałów do rejestratora. Dane pomiarowe dostarczane były do komputera centralnego
(archiwizacja, obliczenia) w Urzędzie Gminy za pomocą dyskietki pomiarowej.
Pomiar na kolejnym obiekcie przy ulicy Hubala (B) – 11-kondygnacyjnym budynku hotelu
na planie kwadratu – rozpoczęto również od instalacji czujników wychyleń: na fundamencie
i ostatnim piętrze. Zestaw pomiarowy na tym budynku wyposażony jest ponadto w czujnik
przyspieszeń (zainstalowany na ścianie podszczytowej), a po zakończeniu laboratoryjnych
badań kalibracyjnych uzupełniony zostanie o czujnik naprężeń. Na trzecim obiekcie (budynek
Przedszkola – C) na ścianie nośnej fundamentu zainstalowano czujnik wychyleń zintegrowany
z czujnikiem przyspieszeń.
125
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
3.2. Przykłady rejestracji wychyleń, przyspieszeń i szerokości dylatacji
Wszystkie dane pomiarowe w postaci plików, znajdują się w archiwum (dysk stały) Urzędu
Gminy Polkowice. Zmiany wychylenia wypadkowego budynków w dłuższych okresach czasu
wizualizowane są drogą wprowadzania do arkuszy kalkulacyjnych dobowych wartości
wychyleń (z każdej pierwszej minuty kolejnej doby). Wykresy słupkowe lub biegunowe
obrazują kierunek i wielkość zachodzących zmian pod wpływem deformacji powierzchni.
Ułatwiają one analizę wpływów eksploatacji górniczej.
Nierzadko jednak okresowe zmiany wychylenia (np. w granicach + 0,2 mm/m) mogą być
spowodowane sezonową zmianą warunków hydrogeologicznych, dobowymi różnicami temperatur lub nasłonecznieniem. Zdiagnozowanie przyczyn takich zmian wymaga skonfrontowania
wyników z postępami eksploatacji górniczej i występowaniem innych uwarunkowań – np.
klimatycznych, drogowych itp.
Zmiany dynamiczne na powierzchni, wywołane eksploatacją górniczą, objawiają się na
terenie Gminy Polkowice, występowaniem silnych wstrząsów. Są one przyczyną znacznych
chwilowych wychyleń oraz niskoczęstotliwościowych drgań budynków. Najsilniej reakcje
obiektu na wstrząs odczuwane są na najwyższych kondygnacjach. Wywołują one uzasadniony
niepokój wśród mieszkańców, szczególnie dziesięciopiętrowych budynków.
Przedstawione przykłady ilustrują kolejno: wzmocnienie wstrząsu z wysokością budynku
(rys. 3.2.), znaczne wartości wychyleń w czasie silnego wstrząsu (rys. 3.3.), zmianę szerokości
szczeliny dylatacyjnej i duże wartości przyspieszeń w czasie trwania wstrząsu na 10-tym piętrze budynku (rys. 3.4.).
Rys. 3.2. Przykład reakcji budynku na wstrząs: wielkość wychylenia na wysokości fundamentów
– 2,1 mm/m, a na wysokości 10-tego piętra – 3,6 mm/m
Fig. 3.2. Example of building reaction to shock: value of tilt at the foundation level – 2,1 mm/m, and at
the 11 storey level – 3,6 mm/m
126
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Rys. 3.3. Rejestracja maksymalnego wychylenia budynku podczas silnego wstrząsu (E8J)
Fig. 3.3. Record of maximum tilt of the building during high-energy shock (E8J)
A
B
Rys. 3.4. Przykład rejestracji silnego wstrząsu przez czujniki:
pomiaru szerokości dylatacji – A, przyspieszenia – B
Fig. 3.4. Example of recording of a strong shock by the sensors:
expansion joint sensor – A; acceleration sensor – B
127
M. BĄCZKOWSKA i inni – Automatyczny monitoring obiektów poddanych wpływom...
____________________________________________________________________________
4. Podsumowanie
Ze względu na znaczny wzrost sejsmiczności w rejonie filara ochronnego miasta Polkowice
(od listopada 1998 r. wystąpiło kilkanaście wstrząsów o energii większej od 1,0x10 8J). Zarząd
Gminy w obawie o bezpieczeństwo mieszkańców postanowił rozbudować sieć pomiarową
parametrów drgań gruntu i budynków przy jednoczesnym mierzeniu przyspieszenia drgań
i wychyleń elementów konstrukcyjnych, co jest m. in. przedmiotem umowy Urzędu Gminy
Polkowice z Komitetem Badań Naukowych i Głównym Instytutem Górnictwa jako Realizatorem projektu celowego.
W ramach dotychczasowej współpracy, przy realizacji części badawczo-rozwojowej tego
projektu zbudowano system pomiarowy, złożony z zestawów czujników zainstalowanych na
trzech budynkach w różnych częściach miasta. Realizują one jednoczesny, ciągły pomiar
wychyleń i drgań budynków, przyspieszeń jakim są poddawane te konstrukcje oraz zmian
szerokości dylatacji. Wszystkie dane są rejestrowane cyfrowo na każdym z tych obiektów,
a następnie archiwizowane w Urzędzie Gminy.
Automatyczny monitoring oznacza niezawodność kontroli zjawisk, szybkość reakcji na
zagrożenia, przy minimalnej obsadzie kadrowej i niskich nakładach finansowych. Prowadzony
dotychczas monitoring wykazał, że budynki reagują na wstrząsy znacznymi wychyleniami
i przyspieszeniami (szczególnie na najwyższych kondygnacjach 10-cio piętrowych bloków).
Najczęściej w zakresie częstotliwości drgań do 10 Hz obserwuje się wzmocnienie tych
wielkości z wysokością obiektu. Dla pełnego obrazu zjawisk prowadzone są równolegle
pomiary przyspieszenia w gruncie, widma drgań fundamentu i ściany szczytowej jednego
z budynków oraz uzupełniające, okresowe pomiary geodezyjne, pozycjonowanie GPS.
Wartość użytkowa budynków sprawdzana jest ponadto poprzez inwentaryzację budowlaną
powstałych szkód, pomiar wytrzymałości betonu metodą ultradźwiękową.
Testowany jest także prototyp optoelektronicznego czujnika do pomiaru odkształceń
postaciowych konstrukcji w czasie wstrząsów.
Autorzy są przekonani, że podjęte wysiłki i współpraca zaowocują bogatym materiałem
badawczym, który będzie sukcesywnie publikowany.
Literatura
[1] Popiołek E. 1998: Aktualizacja oceny wpływów działalności górniczej na Terenie Górniczym
„Rudna I” dla celów miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego obszaru funkcjonalnego
(praca niepublikowana).
[2] Centrum Badawczo Projektowe Miedzi „CUPRUM” Sp. z o.o. 2000: Program eksploatacji i ochrony
powierzchni w filarze ochronnym miasta Polkowice na lata 2000 – 2010 (praca niepublikowana).
[3] Polska Norma, PN-85/B-02170: Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na
budynki.
[4] Polska Norma, PN-88/B-02171: Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.
[5] Kwiatek J. i inni 1997: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych, Wyd. GIG, Katowice.
[6] Kwiatek J. 1999: Zasady ochrony istniejących obiektów budowlanych na terenach górniczych
w świetle wytycznych GIG, Konferencja Naukowo – Techniczna „Problemy projektowania i ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych”, Rudy Raciborskie 1999, od 141.
[7] Kawulok M., Sulimowski Z. 1999: Nowe ujęcie stanów granicznych budynków na terenach
górniczych, Konferencja Naukowo – Techniczna „Problemy projektowania i ochrony obiektów
budowlanych na terenach górniczych”, Rudy Raciborskie 1999, od 75.
[8] Cholewicki A., Szulc J., Król I. 1997: Ocena wytężenia i zasady zabezpieczania konstrukcji
budynków narażonych na wstrząsy, Prace naukowe GIG Nr 20 „Ochrona powierzchni i obiektów
budowlanych przed szkodami górniczymi”, Konferencja Katowice 1997, od 53.
128
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
[9] Cholewicki A. 1999: Zasady uwzględniania wpływów wstrząsów górniczych w projektowaniu
budynków i obiektów, Konferencja Naukowo – Techniczna „Problemy projektowania i ochrony
obiektów budowlanych na terenach górniczych”, Rudy Raciborskie 1999, od 85.
[10] Szade A. i inni: Polski patent nr 151 105.
[11] Szade A., Passia H., Lipowczan A. 1996: Laser sensors for continuous control of tilting of buildings
on mining-influenced and seismic areas – construction and field experience, Proc. SPIE, Vol. 2868,
500 – 509.
[12] Szade A., Bochenek W., Passia H., Pytlarz T. 1998: Ciągły, automatyczny pomiar wpływu
eksploatacji górniczej na obiekty na powierzchni z zastosowaniem laserowych czujników drgań
i wychyleń, Wyd. PAN, Warsztaty’98: Oddziaływanie wstrząsów górniczych na powierzchnię,
Kraków 1998, 121 – 130.
[13] Szade A., Bochenek W., Pytlarz T., Rzepecka D. 1998: Ciągłe i okresowe pomiary ruchów
wysokiego budynku na terenie podlegającym deformacjom górniczym oraz wstrząsom, III Konferencja N.T., Ochrona środowiska na terenach górniczych, Mat. SITG, Ustroń 1998, 287 – 297.
[14] Szade A., Bochenek W., Passia H. 1999: Czujnik do ciągłych pomiarów niskoczęstotliwościowych
drgań i wychyleń budowli w trzech osiach współrzędnych, Wyd. PAN, Warsztaty’99: Oddziaływanie górniczych zagrożeń na środowisko, Kraków 1999, 193 – 200.
[15] Bochenek W., Motyka Z., Passia H., Szade A. 2000: Reaction of buildings to diversified
environmental conditions, including mining and geotectonic, on the basis of continuous monitoring
with the use of laser tilt and vibration sensors, SPIE, V. 4072, 4th International Conference on
Vibration Measurements by Laser Techniques, Ancona 2000, 239 – 244.
Automatic monitoring of objects subjected to mining effects in the area of
the town of Polkowice
A measuring system was constructed on a basis of optoelectronic and electronic sensors
such as: laser tilt sensor developed by CMI, acceleration sensor and fissure and expansion joint
propagation sensor. The sensors ensure the possibility to perform precise and automatic
measurements of the tilt, vibration and deformation of buildings using multichannel acquisition
of data in computer recorders with graphical visualisation of all the results in the form of
printouts of daily courses or vibration characteristics. Such assemblies have been installed in
three building structures located in various places in Polkowice. The examples of reaction of
the monitored buildings to mining effects are presented. At the same time, this presentation is
an account of realisation of the Designated Project.
Przekazano: 25 marca 2002
129