CC BY
19
------------------------------------©-В.Н. Аллилуев, 2004
УДК 622.831 В.Н. Аллилуев
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОУПОРНЫХ ПЕРЕМЫЧЕК
Семинар № 13
ш ш ри складировании жидких хвостов
.ж .Ж обогащения в подземные отработанные очистные камеры предусматривается изоляция камер и выработок водоупорными перемычками. На шахте им. Губкина при заполнении опытных камер 14/9 и 14/10 возведено три водоупорные перемычки. Водоупорные перемычки должны отвечать требованиям надежности, устойчивости и обеспечивать безопасность. Текущий приборный контроль за напряженно-деформированным состоянием перемычек и режимом их работы не позволяет дать прогнозную оценку. Поэтому важно предварительно, до полного заполнения камер, оценить состояние перемычек.
Исследования напряженно-деформиро-
ванного состояния (НДС) водоупорных перемычек осуществлялось численным моделированием с использованием метода конечных элементов. Расчет полей напряжений и деформаций в перемычке производился на персональном компьютере. По конструкции водоупорные перемычки представляют собой ряд двутавровых балок за-моноличенных в бетон. В качестве исходных данных приняты геометрические размеры и механические характеристики материала перемычек (бетона и стали). В расчетах варьировалась задаваемая равномерно распределенная нагрузка, действующая на перемычку со стороны жидких текущих хвостов в диапазоне от 0,2 до 1,2 МПа.
По результатам расчетов выявлялись зоны возможного разрушения путем сравнения предела прочности бетона и стали на растяжение с вычисленными максимальными растягивающими напряжениями в перемычке, которые представлялись затем графически.
Анализ зон возможного разрушения в перемычке с изогнутой двутавровой балкой при различных величинах задаваемых нагрузок показывает, что при нагрузке д = 0,2 МПа зоны разрушения отсутствуют, а по мере увеличения нагрузки (д = 0,4; 0,6; 1,2 МПа) наблюдаются в заделке со стороны приложения нагрузки (рис. 1). Зона возможного разрушения со стороны
выработки (10 Юго-Восточного штрека) при нагрузке д = 1,2 МПа располагается в центральной части перемычки, высотой 1,5 м и глубиной проникновения в бетон от поверхности на 0,36 м при крутом очертании двутавровой балки. При более пологом очертании двутавровой балки зона разрушения возникает в центральной части перемычки при нагрузке д = 0,6 МПа размером 0,1 х 0,14 м, а при нагрузке д = 1,2 МПа размером 1,5 х 0,28 м.
Зоны разрушения в заделке перемычки наблюдаются при нагрузке д = 0,4 МПа, а в центральной части перемычки со стороны штрека при нагрузке д = 0,6 МПа.
При нагрузке д = 1,2 МПа в бетонной перемычке зона разрушения представлена смыканием области в заделке с областью в центральной части, что может привести к потере несущей способности перемычки (рис. 2). Сравнивая зоны возможного разрушения, в чисто бетонной перемычке и в бетонной перемычке с двутавровой балкой видно, что наличие двутавровой балки уменьшает зоны разрушения от растягивающих напряжений и увеличивает, несущую способность перемычки.
Таким образом, зоны разрушения в перемычке с двутавровой балкой при нагрузке 0,2 МПа по расчетам не зафиксированы, при нагрузках от 0,4 до 1,2 МПа имеются локальные области разрушения от максимальных растягивающих напряжений.
Деформированное состояние перемычки характеризуется горизонтальными, вертикальными и угловыми деформациями. Для горизонтальных деформаций ех, действующих вдоль оси штрека, характерны зоны растяжения, приходящиеся на двутавровую балку в середине перемычки протяженностью по вертикали (ось у) 0,9 мив заделке на бетон и балку. Зоны растяжения вертикальных деформаций располагаются в середине перемычки в бетоне за балкой со стороны штрека протяженностью по вертикали (ось у) около 2 мив заделке в бетоне. Угловые деформации в середине балки рав-
Рис. 2. Зоны возможного разрушения бетонной перемычки без усилия
ны нулю, а зоны повышенных деформаций приурочены к двутавровой балке по направлению к заделке.
Со стороны действия нагрузки в бетоне и в двутавровой балке действуют сжимающие вертикальные напряжения оу, а за балкой действуют растягивающие вертикальные напряжения. Наибольшие сжимающие вертикальные напряжения при нагрузке 1,2 МПа приходятся на двутавр со стороны действия нагрузки и составляют 7,43 МПа, а растягивающие напряжения действуют в бетоне за балкой, наибольшего значения 1,53 МПа достигают со стороны штрека. Горизонтальные напряжения ох, дейст-
Рис. 1. Зоны возможного разрушения перемычки с двутавровыми балками: 1 - стальная двутавровая балка; 2 - бетон; 3 - вмещающие породы
вующие вдоль оси штрека, по всей толщине перемычки сжимающие. Наибольшее значение ох = 1,24 МПа приходится на двутавровую балку при величине нагрузки д = 1,2 МПа.
Вертикальные деформации еу по характеру действия повторяют вертикальные напряжения. Горизонтальные деформации е, в бетоне со стороны действия нагрузки сжимающие, в балке растягивающие, в бетоне за балкой также сжимающие.
Анализ изменения напряжений и деформаций показывает, что области сжимающих напряжений и деформаций по большей части наблюдаются в стальной двутавровой балке, тогда как области растяжения расположены в бетоне. Однако, известно, что металл эффективнее располагать в зонах растяжения, а бетон в зонах сжатия, поскольку металл имеет прочностные характеристики одинаковые на растяжение и на сжатие, а у бетона прочностные характеристики на растяжение значительно ниже, чем на сжатие.
Для повышения надежности и несущей способности перемычек рекомендуется при их проектировании и сооружении располагать усиливающие металлические балки со стороны выработки, а закрепление вертикально расположенных балок лучше осуществлять либо непосредственно на анкерах, либо к балке устанавливаемой во врубе и закрепляемой на анкерах. Для исключения возможности протекания воды и жидких хвостов следует производить гидроизоляцию путем возведения сварного листа стали, толщиной 5-8 мм со стороны жидких хвостов и воды. Одновременно стальной лист будет служить опалубкой при бетонировании, поэтому для повышения его устойчивости следует предусмотреть ребра жесткости, например, в виде приваренного уголка, осуществив его связь с металлическими балками, используя для этого арматурную сталь.
__ Коротко об авторах
Аллилуев В.Н - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «НИИКМА»
