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

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).