Технологии горноспасательного дела. Ч.II Ликвидация внезапных прорывов воды в горные выработки. Учебно-методическое пособие
.pdfДопускается при незначительном ожидаемом максимальном уровне воды (менее 1 м) не делать горизонтальную площадку на гребне дамбы. Расчет ограждающих дамб проводят на устойчивость в отношении их скольжения или сдвига под действием давления воды, а также на фильтрацию воды.
Определим прочные размеры ограждающих дамб. Под действием давления воды Р дамба будет стремить-
ся сдвинуться, ее сдвижению сопротивляются силы трения F, возникающие в основании дамбы под действием давления воды Р и от собственного веса дамбы Q, которые будут противодействовать сдвижению дамбы.
Чтобы дамба не была сдвинута, необходимо сохранить условие равновесия, сила давления воды должна быть меньше или равна силе трения дамбы о грунт, на котором она размещена, т.е.
Fв ≤ Fтр или Fв – Fтр =0. |
(4.2) |
Сила давления воды при удельном весе gв = 1 т/м3, действующая на дамбу, может быть записана в виде
1 |
|
(lдa), Н, |
|
||
Fв = pвS = |
|
rв g H0 |
(4.3) |
||
2 |
|||||
|
|
|
|
||
где Н0 – максимальная глубина воды перед дамбой (от начала дамбы до свободной поверхности воды), м; g – ускорение свободногопадения,g=9,8Н/кг;rв –плотностьводы,rв=1т/м3 (средняя плотность пульпы составляет rср.п = 1,15–1,20 т/м3, предельное значение до 1,3 т/м3); S – площадь поверхности дамбы, погруженная в жидкость, м2; a – длина откоса дамбы, погруженная в жидкость, м2; lд – длина дамбы, м; pв – гидростатическое давление жидкости на поверхность дамбы, Па = Н/м2.
С учетом соотношения высоты ограждающей дамбы к длине откоса со стороны жидкости равного 1:2, т.е. а = 2Н0, формула (4.3) примет вид
41
1 |
|
2 |
|
|
||
Fв = |
|
rв g H0 |
(lд 2H0 )=lд rв g H0 |
, Н. |
(4.4) |
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
Сила трения дамбы о грунт (Fтр), на котором она размещена, равна силе реакции опоры (при горизонтальном ее размещении) или равна силе тяжести (Fт), умноженной на коэффициент трения:
Fтр =mFт, Н, |
(4.5) |
где m – коэффициент трения.
Сила тяжести равна собственному весы дамбы, определяемому по формуле
Fт = P =mg, |
(4.6) |
где m – масса ограждающей дамбы, определяемая по формуле
m =rдVд, кг, |
(4.7) |
где r – плотность грунта, из которого сложена ограждающая дамба (определяется по таблице 4.3); Vд – объем ограждающей дамбы, определяемый по формуле
V |
=S l , м3 |
, |
(4.8) |
д |
д д |
|
|
где Sд – поперечная площадь сечения ограждающей дамбы, м2; дамба в поперечном сече,нии представлена разносторонней трапецией, площадь которой находится по фор муле
Sд = |
1 |
H(B +b), м3. |
(4.9) |
|
2 |
||||
|
|
|
42
Собственный вес дамбы при трапециевидном ее сечении будет
P = |
1 |
H(B +b)rд lд g = Fт, м, |
(4.10) |
|
2 |
||||
|
|
|
гдеrд–плотностьгорныхпород,слагающихдамбу,т/м3; В – ширина дамбы у основания, м; B – ширина гребня дамбы, м; h – превышение гребня дамбы над уровнем воды, м; Н – высота дамбы от гребня до подошвы, м.
Тогда
Fтр = |
1 |
H(B +b)rд lд g m. |
(4.11) |
|
2 |
||||
|
|
|
Подставляя значения Fв и Fтр из равенства (4.4) и (4.11) в равенство (4.2), получим
lд g rв H02 = |
1 |
H(B +b)rд lд g m, |
(4.12) |
|
2 |
||||
|
|
|
или
rв H02 = |
1 |
H(B +b)rд m, |
(4.13) |
|
2 |
||||
|
|
|
Решая полученное уравнение (4.13) относительно В и вводя в него коэффициент запаса nз, принимаемый nз = 2, получим
|
2r |
в |
H2 |
−m r |
д |
b H |
|
|
B = |
|
0 |
|
|
n . |
(4.14) |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
m rд H |
|
з |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
где
Н = Н0 +h. |
(4.15) |
Расход воды на 1 м ограждающей дамбы при ее фильтрации через дамбу может быть определен по формуле Кнорра:
q′= |
k |
(H02 +h02 ), м3 |
сут, |
(4.16) |
|
2L |
|||||
|
|
|
|
где k – коэффициент фильтрации, м/сут. При отсутствии опытных данных для различных горных пород коэффициент фильтрации может быть принят по таблице 4.2; L – длина линии фильтрации, м. Определяется по таблице 4.3; h0 – глубина воды за дамбой, м.
Так как за дамбой воды не должно быть (h0 = 0), то уравнение (4.15) примет вид
q′= |
|
k |
H2 |
, м. |
(4.17) |
|
2 |
L |
|||||
|
0 |
|
|
По формуле (4.16) определяют расход воды через фильтрацию на 1 м ограждающей дамбы.
Необходимо, чтобы этот расход был небольшим, так как при большом расходе из за фильтрации может возникнуть опасность размывания дамбы. При расчетах для практических целей за длину линии фильтрации приближенно рекомендуют принимать значения, приведенные в таблице 4.3.
Справочные значения удельного веса различных горных пород приведены в таблице 4.3, а величины коэффициента трения – в таблице 4.5.
Используя представленный общий алгоритм решения задачи по определению параметров ограждающей дамбы, можно рассчитать параметры валов и дамб любой формы поперечного сечения.
44
Таблица 4.2 – Величины коэффициента фильтрации для различных горных пород
№ |
Горные породы |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
|
|
|
1 |
Глины |
< 0,001 |
|
|
|
2 |
Суглинки |
0,01–0,001 |
|
|
|
3 |
Супеси |
1–0,01 |
|
|
|
4 |
Пески мелкозернистые |
2–10 |
|
|
|
5 |
Пески среднезернистые |
10–25 |
6 |
Пески крупнозернистые |
25–50 |
|
|
|
7 |
Гравий |
50–200 |
|
|
|
8 |
Галечник |
200–500 |
Таблица 4.3 – Длина линии фильтрации
№ |
Откосы со стороны воды |
Длина линии фильтрации |
|
|
|
1 |
1:1,0 |
L = B – H |
|
|
|
2 |
1:1,5 |
L = B – 1,5H |
3 |
1:2,0 |
L = B – 2,0H |
|
|
|
4 |
1:2,5 |
L = B – 2,5H |
|
|
|
5 |
1:3,0 |
L = B – 3,0H |
Таблица 4.4 – Коэффициент трения
№ |
Название грунта |
Коэффициент трения |
|
|
|
1 |
Чистый мелкий песок, илистый |
От 0,35 до 0,45 |
|
или глинистый мелкий и средний песок |
|
|
|
|
2 |
Чистый мелкий и средний песок, или- |
От 0,45 до 0,55 |
|
стый средний и крупный песок, или- |
|
|
стый или глинистый гравий |
|
|
|
|
3 |
Чистый гравий, гравийно-песчаные |
От 0,55 до 0,6 |
|
смеси, крупный песок |
|
|
|
|
4 |
Мелкий песчаный ил, непластичный ил |
От 0,45 до 0,55 |
5 |
Очень жесткая и твердая осадочная |
От 0,40 до 0,50 |
|
или предуплотненная глина |
|
|
|
|
6 |
Средне жесткая и жесткая глина, или- |
От 0,30 до 0,35 |
|
стая глина |
|
|
|
|
45
Таблица 4.5 – Плотность различных горных пород
№ |
Название грунта, вид |
Пояснения |
Плотность, |
или разновидность |
т/м3 |
||
1 |
Сухой песок |
Сухой песок |
1,2–1,7 |
|
|
|
|
2 |
Речной песок |
Песок из реки, песок, до- |
1,5–1,52 |
|
|
бытый в реке, песок со дна |
|
|
|
реки |
|
|
|
|
|
3 |
Речной уплотненный |
Песок из реки, мытый |
1,59 |
|
песок |
без глинистой фракции |
|
4 |
Речной размер зерна |
Песок из реки, песок, до- |
1,5 |
|
1,6–1,8 песок |
бытый в реке, песок со дна |
|
|
|
реки |
|
5 |
Речной намывной песок |
Песок из реки, песок, на- |
1,65 |
|
|
мытый в реке, песок со дна |
|
|
|
реки, добытый намывным |
|
|
|
способом |
|
|
|
|
|
6 |
Речной мытый крупнозер- |
Крупнозернистый песок |
1,65 |
|
нистый песок |
из реки мытый |
|
|
|
|
|
7 |
Строительный песок |
Песок для строительства, |
1,68 |
|
|
песок для строительных |
|
|
|
и отделочных работ, пе- |
|
|
|
сок, используемый и при- |
|
|
|
меняемый в строительстве |
|
|
|
|
|
8 |
Строительный песок су- |
Песок для строительства, |
1,44 |
|
хой, рыхлый |
песок для строительных |
|
|
|
и отделочных работ, пе- |
|
|
|
сок, используемый и при- |
|
|
|
меняемый в строительстве |
|
9 |
Карьерный песок |
Песок из карьера, песок, |
1,5 |
|
|
добытый карьерным спо- |
|
|
|
собом |
|
10 |
Карьерный мелкозерни- |
Мелкозернистый песок |
1,7–1,8 |
|
стый песок |
из карьера, мелкий песок, |
|
|
|
добытый карьерным спо- |
|
|
|
собом |
|
|
|
|
|
11 |
Морской песок |
Песок из моря, песок |
1,62 |
|
|
с морского дна |
|
|
|
|
|
12 |
Гравелистый песок |
Песок с примесью гравия |
1,7–1,9 |
|
|
|
|
13 |
Пылеватый песок |
Песок с примесью пыли |
1,6–1,75 |
|
|
|
|
46
Продолжение таблицы 4.5
№ |
Название грунта, вид |
Пояснения |
Плотность, |
или разновидность |
т/м3 |
||
14 |
Для строительных работ – |
Песок строительный |
1,55–1,7 |
|
песок нормальной влаж- |
|
|
|
ности по ГОСТу |
|
|
|
|
|
|
15 |
Горный песок |
Карьерный песок |
1,5–1,58 |
|
|
|
|
16 |
Средней крупности песок |
Среднезернистый песок |
1,63–1,69 |
|
|
|
|
17 |
Крупный песок |
Крупнозернистый песок |
1,52–1,61 |
|
|
|
|
18 |
Среднезернистый песок |
Песок средней зернистости |
1,63–1,69 |
|
|
|
|
19 |
Мелкий песок |
Песок мелкой зернистости |
1,7–1,8 |
|
|
|
|
20 |
Мокрый песок |
Песок с высоким содержа- |
1,92 |
|
|
нием воды |
|
21 |
Мокрый уплотненный |
Песок с высоким содержа- |
2,09–3,0 |
|
песок |
нием воды уплотненный |
|
|
|
|
|
22 |
Влажный песок |
Песок с повышенной влаж- |
2,08 |
|
|
ностью, отличающейся |
|
|
|
от нормальной по ГОСТу |
|
|
|
|
|
23 |
Грунт песок |
Песок в естественном зале- |
2,66 |
|
|
гании, грунт с очень высо- |
|
|
|
ким содержанием песка |
|
|
|
|
|
24 |
Песок и щебень |
Строительные материалы |
Песок 1,5– |
|
|
|
1,7 и щебень |
|
|
|
1,6–1,8 |
|
|
|
|
25 |
Песок и цемент |
Строительные материалы |
Песок 1,5– |
|
|
|
1,7 и цемент |
|
|
|
1,0–1,1 |
26 |
Песчано-гравийная смесь |
Смесь песка и гравия |
1,53 |
|
|
|
|
27 |
Песчано-гравийная смесь |
Смесь песка и гравия |
1,9–2,0 |
|
уплотненная |
|
|
|
|
|
|
28 |
Бой обычного глиняного |
Песок, полученный |
1,2 |
|
кирпича красного |
дроблением красного |
|
|
|
керамического кирпича |
|
|
|
глиняного |
|
|
|
|
|
29 |
Огнеупорная глина |
|
2,44 |
|
|
|
|
30 |
Валяльная (сукновальная) |
|
1,8–1,9 |
|
глина |
|
|
|
|
|
|
31 |
Обыкновенная (горшеч- |
|
2,56–2,65 |
|
ная) глина |
|
|
47
Окончание таблицы 4.5
№ |
Название грунта, вид |
Пояснения |
Плотность, |
или разновидность |
т/м3 |
||
32 |
Солонцеватая глина |
|
1,8–1,9 |
|
|
|
|
33 |
Квасцовая глина |
|
1,8–1,9 |
|
|
|
|
34 |
Смолистая глина |
|
2,54–2,57 |
|
|
|
|
35 |
Железистая глина |
|
1,8–1,9 |
|
|
|
|
36 |
Глина, содержащая из- |
|
1,8–1,9 |
|
весть |
|
|
|
|
|
|
Задание 1
Рассчитать параметры ограждающей дамбы и величину фильтрационного водопритока через дамбу. Исходные данные для расчета представлены в таблице 4.6.
Задание 2*
Рассчитать конструкцию дамбы при ожидаемом водопритоке, равном 1 м с учетом того, что в наличии имеется мелкозернистый песок. Предварительно рекомендуется вывести формулу для расчета ширины дамбы, отдельно выразив ширину гребня дамбы.
Примечание. * – дополнительное задание для самостоятельной работы.
Порядоквыполненияработы
1 На первом этапе проводится изучение общих теоретических основ, при этом необходимо сделать краткий конспект.
2 Далее переписываются задание и исходные данные, приведенные в таблице 4.5, в соответствии с вариантом.
3 Далее необходимо сделать схему конструкции ограждающей дамбы в соответствии с начальными параметрами (ожидаемый уровень водопритока, Н, м) по вариантам и рисунку 4.1.
48
Таблица 4.6 – Исходные данные для расчета параметров ограждающей дамбы
№ |
Параметр |
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Ожидаемый уровень |
6 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
жидкости составит H, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Вид жидкости |
Вода |
Пульпа |
Вода |
Пульпа |
Вода |
Пульпа |
Вода |
Пульпа |
Вода |
Пульпа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Имеющийся материал |
Мел- |
Обык- |
Мел- |
Обык- |
Мел- |
Обык- |
Мел- |
Обык- |
Мел- |
Обык- |
|
для возведения огражда- |
козер- |
новен- |
козер- |
новен- |
козер- |
новен- |
козер- |
новен- |
козер- |
новен- |
|
ющей дамбы |
нистые |
ная |
нистые |
ная |
нистые |
ная |
нистые |
ная |
нистые |
ная |
|
|
пески |
глина |
пески |
глина |
пески |
глина |
пески |
глина |
пески |
глина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
49
4 Самостоятельно по рекомендациям из теоретической части определить параметры откосов со стороны воды и со свободной стороны.
5 Далее необходимо рассчитать ширину гребня дамб (b) по формуле (4.1).
6 Далее по формуле (4.12) необходимо рассчитать ширину дамбы по основанию (В, м) и высоту дамбы (с учетом гребня (Н, м)).
7 По формуле (4.15) определяют расход воды через фильтрацию на 1 м ограждающей дамбы.
8 Далее по формулам (4.7), (4.8) и (4.9) определяют параметры дамбы.
9 По полученным параметрам необходимо скорректировать схему конструкции ограждающей дамбы и в заключении требуется написать выводы по полученным результатам расчетов.
Вопросыдлясамоконтроля
1 Какой порядок действий при сооружении ограждающей дамбы?
2 Что влияет на параметры ограждающих дамб?
3 Изкакихматериаловсооружаютограждающиедамбы? 4 Какое условие должно соблюдаться для обеспечения устойчивости ограждающих дамб при ликвидации внезап-
ных прорывов воды?
5 Что понимается под фильтрационным притоком через ограждающую дамбу?
50