Научная статья на тему 'Моделирование водоизоляционных перемычек для защиты действующих горизонтов от водопритоков из ликвидируемых выработок'

Моделирование водоизоляционных перемычек для защиты действующих горизонтов от водопритоков из ликвидируемых выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
84
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Суптелин М. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Моделирование водоизоляционных перемычек для защиты действующих горизонтов от водопритоков из ликвидируемых выработок»

УДК 622.258.3 М.В. Суптелин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕРЕМЫЧЕК ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДЕЙСТВУЮЩИХ ГОРИЗОНТОВ ОТ ВОДОПРИТОКОВ ИЗ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ВЫРАБОТОК

Семинар № 3

Закрытие нерентабельных шахт оказывает неоднозначное влияние на изменение гидрогеологической обстановки. В большинстве случаев ликвидация шахт сопровождается их затоплением и восстановлением гидродинамического баланса подземных вод, а так же восстановлением природного газодинамического баланса. В результате этого возникает проблема перетока воды в действующие горные предприятия, особенно при наличии общих горных выработок. Это повышает опасность производства работ и увеличивает энергозатраты на водоотлив, а иногда приводит к затоплению действующих шахт. Поэтому для нормальной работы горного предприятия необходима надежная водоизоляция ликвидируемых выработок.

В последнее время получило распространение метод заполнение участка выработки глиноцементным раствором, создание так называемой тампонажной «пробки» [1], который применялся на ряде шахт Восточного Донбасса [2]. Разработанная технология предусматривает формирование конструкции, состоящей из двух бетонных перемычек, пространство между которыми заполнено вязкопластичным составом, и тампонажной завесы в приконтурном массиве пород.

В качестве перемычек, ограничивающих тампонажную «пробку» могут применяться плоские, клиновидные бетонные одно- или многоступенчатые перемычки

[3]. В плоских перемычках-плитах (сборных или монолитных) при восприятии нагрузки со стороны закачиваемого под давлением тампонажного раствора возникают значительные сжимающие (со стороны раствора) и растягивающие (с противоположной стороны) напряжения. Для обеспечения работоспособности таких перемычек необходимо увеличение их толщины или дополнительное усиление армированием, что приводит к дополнительным затратам.

Для обеспечения лучших условий работы перемычек, как при нагнетании тампонажного раствора, так и при дальнейшем восприятии гидростатического давления подземных вод, предлагается устраивать криволинейные перемычки в форме сектора тонкостенного цилиндра, обращенного выпуклой стороной по направлению воздействия нагрузки. Такая форма перемычки будет лучше воспринимать нагрузки по сравнению с плоской плитой-пере-мычкой такой же толщины.

Для определения рациональных параметров таких перемычек с помощью программного комплекса «Лира-Windows 9.0» построена плоская конечно-элементная модель, включающая массив пород с полостью, моделирующей горную выработку, и криволинейную перемычку, на конечные элементы которой приложены усилия со стороны нагнетаемого тампонажного раствора и подземных вод.

Рис. 1. Изополя эквивалентных напряжений в перемычке и вмещающем породном массиве: а -

сжимающих; б - растягивающих

Для анализа влияния геометрических параметров перемычки на возникающее в конструкции перемычки на-пряженно-деформирован-ного состояние произведено моделирование различных по толщине (от 0,1 до 0,7 м через каждые 0,1 м) и радиусу закругления (3,45; 3; 2,73; 2,55; 2,24; 2,07 и 1,9 м) перемычек. В результате расчета определены максимальные эквивалентные сжимающие и растягивающие напряжения в перемычке и их распределение по контуру перемычки. Фрагменты конечно-элементной

модели, совмещенные с изополями эквивалентных сжимающих и растягивающих напряжений приведены на рис. 1.

Как видно из рис. 1, максимальные эквивалентные сжимающие напряжения возникают в центральной выпуклой части перемычки со стороны воздействия внешних усилий, а также в местах контакта перемычки с вмещающими породами. Максимальные эквивалентные растягивающие напряжения, в боль-

Рис. 2. Распределение эквивалентных сжимающих и растягивающих напряжений по длине водоизоляционной перемычки при ее толщине: а - 0,7 м; б - 0,5 м; в -

0,3 м

шинстве случаев определяющие участки разрушения перемычки наблюдаются в центральной вогнутой части, т.е. со стороны перемычки, противоположной действию внешних сил. Высокие растягивающие напряжения наблюдаются также в массиве пород в местах примыкания перемычки и передачи через нее нагрузок. При наличии слабых вмещающих пород нарушение гидроизоляции и прорыв воды могут происходить в результате разрушения пород по контакту перемычки и массива.

При удалении от центральной части перемычки к бокам выработки, в перемычке сначала наблюдается снижение как сжимающих, так и растягивающих напряжений практически для всех моделируемых толщин и радиусов закругления перемычек, а затем их рост. Графически распределение напряжений а по длине перемычек I для различных толщин перемычки представлено на рис. 2. Линии графиков соответствуют различным значениям давления р, воздействующего на перемычку. За положительные приняты эквивалентные сжимающие напряжения, за отрицательные - эквивалентные растягивающие. Отчет по оси I идет от централь-

1. Суптелин М.В. Методика расчета водоизоляционной перемычки из вязкопластичного материала// Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр./ Шах-тинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - С. 202 - 205.

2. ПриваловА.А., Суптелин М.В., Письменская С.В., Пушкина В.В. Опыт гидроизоляции шахтных стволов Новошахтинского рай-

ной оси выработки к ее бокам. Картина напряжений симметрична относительно центральной оси выработки в силу симметричности приложенных нагрузок и равенстве характеристик всех конечных элементов, моделирующих тело перемычки.

Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы:

• для обеспечения восприятия перемычкой давления до 4 МПа для ее устройства должен применяться бетон класса не ниже В30 - В45 в зависимости от толщины перемычки;

• наилучшими прочностными характеристиками обладают перемычки толщиной 0,4 - 0,5 м и радиусом закругления 2,5 - 3 м; дальнейшее увеличение толщины перемычки не приводит к существенному улучшению напряженно-деформированного состояния;

• перемычки толщиной 0,2-0,3 м и радиусом более 3,5 м могут эксплуатироваться при ограниченном давлении (до 0,7-1 МПа) и классе бетона по прочности на сжатие не менее В25;

• проектирование перемычек толщиной менее 0,2 м нецелесообразно из-за их малой несущей способности.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

она// Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 209

- 217.

3. Суптелин М. В. Технологии и параметры водоизоляции горных выработок ликвидируемых шахт// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.

- 2003. - Приложение №4. - С. 130-136.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------

Суптелин М.В. - ст. преподаватель кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.