Технологии горноспасательного дела. Ч.II Ликвидация внезапных прорывов воды в горные выработки. Учебно-методическое пособие
.pdf
Таблица 5.2 – Формула для расчета толщины клинчатой перемычки из условия прочности на срезывание
|
Формы поперечного сечения |
Формула для расчета толщины клинчатой перемычки из условия |
|
||||||||||||
|
горных выработок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прочности на срезывание, м |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прямоугольносводчатой формы |
|
= |
|
|
|
l рг а(4b1 +pb2 ) |
|
|
||||||
|
с трехцентренным (коробовым) |
B |
|
|
|
|
|||||||||
|
mtб (4(a +2b1)+p(a +2b2 )) |
(5.10) |
|||||||||||||
|
сводом (см. рисунок 5.7, а) |
к.ср |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прямоугольносводчатой формы |
|
= |
|
|
l рг а(8b1 +pa) |
|
|
|||||||
|
с полуциркульным сводом (см. |
B |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
4mtб ((p+2) a +4b1) |
(5.11) |
|||||||||||
|
рисунок 5.7, б) |
к.ср |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Круглой формы (см. рису- |
Bк.ср = |
|
l рг D |
|
|
|||||||||
|
нок 5.7, в) |
|
(5.12) |
||||||||||||
61 |
|
4mtб |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эллипсовидной формы (см. рису- |
Bк.ср = |
l pг |
a1 b1 |
|
||||||||||
|
|
(5.13) |
|||||||||||||
|
нок 5.7, г) |
mt |
б |
(a +b ) |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Прямоугольной формы (см. рису- |
|
|
|
|
l p a b |
|
||||||||
|
нок 5.7, д) |
Bк.ср = |
|
2mtбг (a +b) |
|
(5.14) |
|||||||||
|
Квадратной формы (см. рису- |
B |
= |
|
|
l рг а |
|
||||||||
|
нок 5.7, е) |
|
|
(5.15) |
|||||||||||
|
|
|
4mt |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
к.ср |
|
|
|
б |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определив толщину клинчатой водонепроницаемой перемычки из условия прочности на сжатие (Вк.сж) и сре зывание (Вк.ср), окончательно принимают получившуюся по расчету большую величину.
Если толщина перемычки, полученная из условия срезывания, значительно превышает толщину перемычки, полученную из условия прочности на сжатие, то принимают окончательно конструкцию перемычки, показанную на рисунке 5.4.
При расчетах принимают значения сопротивления бетона в 28 дневном возрасте в зависимости от марки бетона, приведенные в таблице 5.3.
Таблица 5.3 – Значения значений сопротивления бетона в 28 дневном возрасте в зависимости от марки бетона
Марка бетона, |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
400 |
500 |
кгс/см2 |
|
|
|
|
|
|
|
Расчетное со- |
|
|
|
|
|
|
|
противление |
|
|
|
|
|
|
|
бетона, кгс/см2: |
|
|
|
|
|
|
|
• сжатию |
40 |
60 |
70 |
95 |
115 |
150 |
180 |
|
|
|
|
|
|
|
|
• срезыванию |
13 |
16 |
20 |
25 |
30 |
38 |
45 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как при ликвидации внезапных прорывов воды клинчатые водонепроницаемые перемычки обычно загружают через 1–3 суток после их сооружения, то расчетное сопротивление бетона в 28 дневном возрасте следует умножать на соответствующий коэффициент относительной прочности бетона в раннем возрасте, принимаемый по таб лице 5.4:
Rб =n0 |
R28; |
(5.16) |
tб =n0 |
t28. |
(5.17) |
62
Таблица 5.4 – Значения коэффициента n0, учитывающего возраст бетона и наличие добавок
|
Коэффициент относительной прочности бетона |
||||||
Возраст |
|
в раннем возрасте, n0 |
|
||||
|
Бетон с добавками хлористого кальция, % |
||||||
бетона, сут |
Бетон |
||||||
|
от веса цемента |
|
|||||
|
без добавок |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
2 |
|
3 |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0,13 |
0,20 |
|
0,23 |
|
0,27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0,27 |
0,38 |
|
0,45 |
|
0,50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
0,37 |
0,50 |
|
0,55 |
|
0,60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
0,52 |
0,63 |
|
0,73 |
|
0,80 |
|
7 |
0,62 |
0,75 |
|
0,84 |
|
0,88 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
0,82 |
0,93 |
|
1,00 |
|
1,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
28 |
1,00 |
1,10 |
|
1,20 |
|
1,25 |
|
Расчет клинчатых многоступенчатых водонепроницаемых перемычек осуществляется следующим образом.
В зависимости от формы поперечного сечения водонепроницаемой перемычки по соответствующим формулам определяют из условия прочности на сжатие и срезывание необходимую толщину одноступенчатой перемычки. Далее в зависимости от устойчивости горных пород в месте сооружения многоступенчатой водонепроницаемой перемычки определяют конструктивно толщину одной ее ступени В от 2,5 до 3,0 м и затем (рисунок 5.8) находят число ступеней перемычки из выражения:
N = |
Bм |
. |
(5.18) |
|
|||
|
B |
|
|
Если N получается дробным, то оно округляется до ближайшей большей целой величины.
После этого определяется действительное напряжение сжатия материала водонепроницаемой перемычки по формулам, приведенным в таблице 5.5.
63
64
Таблица 5.5 – Формула для расчета действительного напряжения сжатия материала водонепроницаемой перемычки
Формы поперечного сечения |
Формула для расчета действительного напряжения сжатия материала |
|
||||||||
горных выработок |
|
|
водонепроницаемой перемычки |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прямоугольносводчатой формы |
s= |
l pг a(b1 |
+p 4b2 ) |
|
|
|||||
с трехцентренным (коробовым) |
(5.19) |
|||||||||
m N B((p 4 +1)a +2b1 +p 2b2 +(p 2+2)N B tga)tga |
||||||||||
сводом (см. рисунок 5.7, а) |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прямоугольносводчатой формы |
|
|
l pг a(b1 +(pa) 8) |
|
|
|||||
с полуциркульным сводом (см. |
s= |
(5.20) |
||||||||
m N B((p 2+1)a +2b1 +(p 2+2)N B tga)tga |
||||||||||
рисунок 5.7, б) |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Круглой формы (см. рису- |
|
|
l p D2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нок 5.7, в) |
s= |
г |
|
|
|
|
|
(5.21) |
||
4m N B(D +N B tga)tga |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эллипсовидной формы (см. рису- |
s= |
|
l pг a1 b1 |
|
|
|
|
|
|
|
нок 5.7, г) |
|
|
m N B((a1 +b1)+N B tga)tga |
(5.22) |
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прямоугольной формы (см. рису- |
s= |
|
l pг a b |
|
|
|
|
|
(5.23) |
|
нок 5.7, д) |
|
|
m N B(a +b +2N B tga)tga |
|||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Квадратной формы (см. рису- |
|
|
l p a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нок 5.7, е) |
s= |
г |
|
|
|
|
|
(5.24) |
||
4m N B (a +N B tga)tga |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
α |
α |
α |
|
α |
α |
α |
||
|
||||
Pг. |
|
|
|
|
B |
B |
B |
|
|
|
BМ |
|
|
|
Рисунок 5.8 – Расчетная схема многоступенчатой клинчатой |
||||
водонепроницаемой перемычки |
|
|||
Для обеспечения прочности многоступенчатых клинчатых перемычек необходимо, чтобы действительное напряжение сжатия их материала было равно или меньше расчетного сопротивления, т.е. s ≤ Rб.
В случае, если расчетное сопротивление материала перемычки меньше расчетного сопротивления горных пород Rп, необходимо, чтобы действительное напряжение сжатия было равно или меньше расчетного сопротивления горных пород, таким образом s ≤ Rп. При этом обеспечивается необходимая прочность горных пород в местах опирания на них водонепроницаемой перемычки и тем самым исключается их деформация.
При сооружении прямоугольных (безврубовых) перемычек между твердеющим бетоном, уложенным в тело перемычек, и окружающими его скальными горными породами происходит сцепление. Величина сил сцепления зависит от марки бетона, характера поверхности горных пород, их литологического состава и прочности. При большей прочности бетона, большей шероховатости стенок горных пород
65
и большей их прочности сцепление бетона с окружающими его горными породами будет наибольшим.
Сооруженная при ликвидации внезапного прорыва воды в горной выработке прямоугольная безврубовая водонепроницаемая перемычка (рисунок 5.9) будет находиться под действием полного гидростатического давления воды Р, которое стремится сдвинуть ее вдоль оси горной выработки. Этому сдвижению противодействуют силы сцепления перемычки с окружающими горными породами F. Для того чтобы перемычка не сдвинулась по оси горной выработки, необходимо сохранить условие равновесия
∑X = P −F =0. |
(5.25) |
B |
τб. |
|
|
|
в |
pг |
а |
|
Рисунок 5.9 – Расчетная схема прямоугольной безврубовой водонепроницаемой перемычки
При этом собственным весом перемычки ввиду его малого абсолютного значения по сравнению с другими рассмотренными силами, действующими на нее, мы пренебрегаем. Сделанное допущение идет в запас прочности перемычки.
Полное гидростатическое давление воды, действующее на перемычку, может быть записано в виде
P =l pг Sп, |
(5.26) |
где Sп – сечение выработки вчерне, в которой сооружается перемычка, м.
66
Силы сцепления перемычки с окружающими ее горными породами
F =m tс P Bб , |
(5.27) |
где tс – сцепление бетона с горными породами, тс/м2; Р – периметр горной выработки, м.
При отсутствии опытных данных ориентировочно при расчетах принимаем
tс =n tб, |
(5.28) |
где n = 0,7.
Подставив в равенство (5.26) значения P и F, с учетом (5.29) можно определить толщину прямоугольной (безврубовой) перемычки для любой формы поперечного сечения горных выработок:
B |
= |
l рг Sп |
. |
(5.29) |
||
|
||||||
б |
|
m nt |
б |
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В таблице 5.6 приведены выведенные расчетные формулы прямоугольных перемычек применительно к часто используемым формам поперечного сечения горных выработок.
Задание 1
Требуется рассчитать толщину клинчатой и безврубовой перемычки (B), ширину ее заделки (e) и количество ступеней (N) (в случае с клинчатой перемычки).
Угол наклона боковых граней перемычки к горизонтальной оси выбирается произвольно в диапазоне от 10 до 15 градусов. Гидростатическое давление воды принимается по расчетным данным из первой работы данного методического пособия. Исходные данные для расчета представлены в таблице 5.7.
67
68
Таблица 5.6 – Расчетные формулы толщины безврубовых водонепроницаемых перемычек
№ Сечение горных выработок |
|
Толщина водонепроницаемых перемычек (безврубовых), м |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
а |
|
|
|
|
|
l рг a b |
|
|
в |
|
|
Bб = |
|
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
а |
|
|
2m ntб (a +b) |
(5.30) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
б |
а |
B |
= |
l рг а |
|
|
|
(5.31) |
||||||
|
а |
|
4m nt |
|
|||
|
|
б |
|
б |
|
||
3 |
в |
аср |
в |
|
|
|
Bб = |
l pг aср b |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2m ntб (aср +b) |
(5.32) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B = |
l рг D |
(5.33) |
||||||||||
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4m nt |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
б |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
д в1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
а1 |
|
|
|
2l р a b |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Bб = |
|
г |
1 1 |
|
|
(5.34) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
|
|
m ntб (a1 +b1) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
e |
|
а2 |
|
в |
|
|
|
|
|
|
B = |
|
|
l рг |
((pa) 8 +b2 ) |
|
(5.35) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
в2 |
|
|
|
б |
m ntб (a(p 2+1)+2b2 ) |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
ж |
|
b1 |
|
|
в |
|
а1 |
B = |
|
|
l pг a((pb1) 4 +b2 ) |
(5.36) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
а |
|
|
|
в2 |
|
|
б |
m ntб (p 4(a1 +b1)+2(a1 +b2 )) |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Таблица 5.7 – Варианты заданий
|
№ |
Исходные данные |
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Параметры горной выработки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Форма (см. рисунок 5.7) |
а |
б |
в |
г |
д |
е |
а |
б |
в |
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a, м |
4 |
3 |
– |
– |
4,5 |
4 |
4 |
4 |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b, м |
– |
– |
– |
– |
4 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D, м |
– |
– |
3,5 |
– |
– |
– |
– |
– |
4 |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a1, м |
– |
– |
– |
2 |
– |
– |
– |
– |
– |
1,5 |
|
|
|
b1, м |
3 |
2 |
– |
1,5 |
– |
– |
3 |
3 |
– |
1 |
|
|
|
b2, м |
1 |
– |
– |
– |
– |
– |
1 |
– |
– |
– |
|
69 |
2 |
Марка бетона |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
400 |
500 |
400 |
300 |
250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4 |
Возраст бетона, сутки |
1 |
2 |
3 |
4 |
6 |
7 |
14 |
28 |
14 |
7 |
||
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Добавка хлористого кальция, % |
1 |
2 |
3 |
0 |
1 |
2 |
3 |
0 |
1 |
2 |
|
|
|
от веса цемента |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Справочныеданные
1 МПа = 10 кгс/см2.
p |
p/2 |
p/4 |
p/8 |
p/4 + 1 |
p/2 + 1 |
p/2 + 2 |
2(p/2 + 2) |
4(p/2 + 2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,14 |
1,57 |
0,785 |
0,393 |
1,78 |
2,57 |
3,57 |
7,15 |
14,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 5.7, в соответствии с вариантом.
3 Далее необходимо сделать схему конструкции водоупорной перемычки в соответствии с начальными параметрами по вариантам и рисунками 5.6, 5,7, 5,9 и таблицей 5.7.
4 Самостоятельно выбрать угол наклона боковых граней перемычки к горизонтальной оси (в случае с клинчатой перемычки).
5 Рассчитать расчетное сопротивление бетона на сжатие Rб и срезыванию tб по формулам (5.17) и (5.18) с учетом времени загрузки бетона (его возраста) и наличии добавок хлористого кальция. Расчетное сопротивление бетона на сжатие R28 и срезыванию t28 принимается изначально в 28 дневном возрасте по таблице 5.3 с учетом марки бетона по варианту, а коэффициент n0 принимается по таблице 5.4. Также необходимо перевести полученные значения из кгс/см2 в тс/м2 (1 кгс/см2 = 10 тс/м2).
6 Далее необходимо рассчитать толщину водонепрони-
цаемых перемычек (Вк.сж и Вк.ср) по формулам из таблиц 5.2 и 5.3 для клинчатой перемычки. Из полученных значений
выбирается к дальнейшим расчетам наибольшее из полученных значений.
7 Если толщина перемычки более 3 м, то в зависимости от устойчивости горных пород в месте сооружения многоступенчатой водонепроницаемой перемычки, определяют количество ступеней по формуле (5.19) и записывают толщину одной ступени (В).
8 Если при расчете получилось несколько ступеней у перемычки, тогда необходимо определить действительное напряжение сжатия (s) материала водонепроницаемой перемычки по формулам, приведенным в таблице 5.5.
70