А. Сосредоточенные заряды рыхления (дробления)

Основные понятия

Для разрушения (дробления и перемещения) массива горных пород с целью добычи минерального сырья подземным и открытым способом, проведения подземных выработок, сооружения выемок, полок для сооружения дорог в условиях горного рельефа, строительства гидротехнических и мелиоративных объектов применяют взрывы зарядов ВВ, которые принято классифицировать по нескольким признакам:

¨ по положению — наружный (накладной) заряд, помещаемый на взрываемом объекте; внутренний заряд — помещенный внутри взрываемого объекта (в шпуре, скважине или камере). Наружные заряды применяют в основном для дробления негабаритных кусков и козырьков на уступах карьеров, при подводных взрывах, штамповке, резке, упрочнении металлов; внутренние — для отбойки минерального сырья на карьерах и рудниках с целью дробления и последующей переработки, для проведения подземных горных выработок, сооружения выемок, полок и мелиоративных каналов;

¨ по форме — сосредоточенный и удлиненный. К удлиненным относятся заряды, у которых высота (длина) больше их диаметра в три и более раза. При взрывных работах на карьерах и в подземных условиях применяют преимущественно удлиненные заряды;

¨ по конструкции — сплошной — не разделенный промежутками; рассредоточенный, отдельные части которого разделены промежутками (участками) воздуха, мелкой породы, воды и т.п.;

¨ по характеру действия — заряд камуфлета, при взрыве которого разрушение (измельчение и трещинообразование) происходит только вокруг места расположения заряда без проявления видимых разрушений на открытой поверхности массива (рис. 8.1, а); заряд откольный, при взрыве которого происходит откол породы у открытой поверхности и разрушение вокруг заряда (рис. 8.1, б); заряд рыхления, вызывающий дробление породы в пределах от места расположения заряда до открытой поверхности массива без ее выброса из зоны (воронки) разрушения. При взрыве сосредоточенного заряда в массиве с одной открытой поверхностью образуется конусообразная зона разрушения, которую принято называть воронкой разрушения, или воронкой взрыва (рис. 8.1, в); заряд выброса, вызывающий дробление и выброс породы за пределы воронки взрыва (рис. 8.1, г).

Изменение характера действия заряда может быть достигнуто как путем уменьшения глубины заложения заряда постоянной величины (8.2, а), так и путем увеличения массы заряда при постоянной глубине заложения (8.2, б).

Рис. 8.1. Проявление действия взрыва различных зарядов:

а ¾ камуфлетного; б ¾ откольного; в ¾ рыхления; г ¾ выброса

Рис. 8.2. Способы изменения характера действия взрыва:

а ¾ за счет уменьшения глубины заложения заряда; б ¾ за счет увеличения массы заряда

Форма образуемой воронки зависит от свойств взрываемой среды. При расчетах одиночных сосредоточенных зарядов форму воронки взрыва принимают в виде опрокинутого конуса вращения с вершиной в центре заряда.

Различают следующие элементы воронки взрыва (рис. 8.3):

¨ глубина заложения заряда или линия наименьшего сопротивления (ЛНС) — кратчайшее расстояние от центра заряда до ближайшей открытой поверхности w. Для удлиненных зарядов при их многорядном расположении ЛНС — среднее расстояние между рядами или отдельными зарядами;

¨ угол полураствора воронки взрыва (a); радиус действия взрыва заряда (R); радиус основания воронки взрыва (r), показатель действия взрыва, равный отношению радиуса воронки к ее глубине, т.е.

В зависимости от величины показателя действия взрыва различают три разновидности зарядов выброса: нормальный при (рис. 8.3, а), уменьшенный при (рис. 8.3, б) и усиленный при (рис. 8.3, в). Заряды уменьшенного и нормального

Рис. 8.3. Элементы воронки взрыва:

а ¾ нормального; б ¾ уменьшенного; в ¾ усиленного выброса

выброса применяют для дробления скальных массивов на карьерах, а также обрушения крутых откосов в гористой местности при дорожном строительстве (взрывы на сброс). Заряды усиленного выброса при применяют для проходки выработок, подземной отбойки, при сооружении каналов взрывами на выброс, каменно-набросных плотин в ирригационном и гидротехническом строительстве.

Непосредственно в районе заложения заряда при взрыве под действием ударных волн и газов взрыва образуется зона сжатия или измельчения. В пределах этой зоны происходит раздавливание и сильное измельчение породы с образованием в месте расположения заряда полости определенных размеров. Порода в зоне измельчения превращается в мелкораздробленную (разме-рами 0—5 мм) массу с измененной структурой.

За пределами зоны измельчения происходит дробление породы, разделение ее трещинами без изменения структуры. Эту зону называют зоной разрыхления или трещинообразования.

В более удаленных от зарядов участках массива происходит только сотрясение породы без разрушения. Эту часть среды называют зоной сотрясения, зоной сейсмического действия взрыва.

При взрывах выделяющиеся газы генерируют воздушную ударную волну, которая воздействует на окружающие объекты, особенно остекление и легкие конструкции. Эту зону называют зоной воздушного действия взрыва.

При взрывных работах в горном деле практическое значение имеет совокупность зон сжатия и разрыхления, называемая общим термином «зона разрушения». Радиус этой зоны называется радиусом разрушения, или радиусом действия взрыва заряда.

8.2. Процесс разрушения пород

взрывом одиночного заряда

Все породы по механизму процесса разрушения делят на три группы: грунтовые массивы, скальные монолитные и скальные трещиноватые массивы. Процесс разрушения каждой группы пород может быть охарактеризован следующим образом.

Грунтовые массивы. Пески, супеси, некоторые глины и суглинки, разрушение которых происходит, по данным проф. А.Н. Ханукаева, за счет запаса кинетической энергии, приобретенной средой при расширении продуктов взрыва. Разрушение под действием волн напряжений в массиве незначительны. При взрыве вокруг заряда образуется расширяющаяся шаровая полость, заполненная газами взрыва, которая при приближении к открытой поверхности приобретает асимметричную грушевидную форму с большой осью, направленной по ЛНС заряда (рис. 8.4). Изменение формы полости объясняется различной сопротивляемостью перемещению участков массива. В нижней части полости расширение быстро прекращается, в то время как размеры верхней части полости увеличиваются, уменьшая толщину слоя грунта, поднимаемого над полостью. При дальнейшем расширении полости оболочка прорывается в верхней части. Дальнейшее движение породы происходит за счет баллистического полета отдельных частиц с достижением эффекта «открывания ворот». Масса породы падает вниз, образуется открытая воронка. У краев воронки образуется гребень из разрушенной породы, часть ее сползает вниз, придавая воронке угол естественного откоса, характерный для данных разрушенных пород, уменьшая ее глубину и объем.

Скальные монолитные массивы. Предполагается, что скорость детонации ВВ значительно выше скорости деформации породы. Поэтому поверхность породы воспринимает действие взрыва одновременно по всей площадки соприкосновения заряда с массивом.

Рис. 8.4. Последовательность разрушения взрывом грунтового массива:

I—VII — фазы движения грунта

На поверхности раздела «заряд—порода» детонационная волна переходит в ударную с весьма высокой амплитудой, вызывающей сильное измельчение породы, находящейся в условиях всестороннего неравномерного сжатия. По мере удаления от заряда амплитуда ударной волны резко снижается (обратно пропорционально пятой или шестой степени радиуса, по данным Г.И. Покровского) и на расстоянии 5—6 радиусов заряда превращается в упругую волну напряжения, скорость распространения ее меньше, чем ударной, и равна скорости звука в породе. Однако амплитуда взрывной волны остается значительно выше прочности породы на раздавливание, вследствие чего после ее прохождения наблюдается интенсивное разрушение массива, часто с потерей им первоначальной структуры. Эту зону принято характеризовать как зону измельчения l или пластического действия взрыва. Она обычно ограничена 10—12 радиусами заряда (см. рис. 8.5). После прохождения взрывной волны определенное разрушительное действие в этой зоне производят и газы взрыва, находящиеся под чрезвычайно высоким давлением (40—70)10⁸ Па.

Порода вблизи заряда под указанным воздействием взрывной волны и газов взрыва быстро сжимается и смещается вслед за фронтом волны напряжений. В результате этого образуется зона сильнодеформируемой породы с системой многочисленных пересекающихся трещин.

По мере удаления от заряда напряжения в породе от взрыва снижаются и на определенном расстоянии становятся меньше сопротивления породы раздавливанию, вследствие чего характер деформации и разрушений среды меняется.

Под действием прямой волны напряжений и сжатых газов взрыва, распространяющихся от заряда, в среде в радиальном направлении возникают сжимающие напряжения, а в тангенциаль-ном — растягивающие, которые и вызывают появление радиальных трещин (рис. 8.6). Порода под действием высокого давления деформируется и радиусы условно выделенных вокруг заряда сфер r₁ и r₂ увеличатся. За счет этого порода в радиальных направлениях будет испытывать растягивающие напряжения, которые обеспечивают развитие в массиве радиальных трещин а (см. рис. 8.5).

Рис. 8.5. Процесс разрушения монолитной скальной породы вокруг за-
ряда:

а ¾ зона трещинообразования; l ¾ зона измельчения

Рис. 8.6. Механизм образования радиальных трещин вокруг заряда

Определенное влияние на раскрытие трещин оказывают и расширяющиеся газы взрыва.

Опыты, проведенные проф. В.М. Комиром на образцах, позволили определить количество газов, проникающих в трещины. Для этого в заряд ВВ добавляли тонкоизмельченный кристаллический йод и по проценту кристаллов, осевших на стенках трещин, откуда они смывались с помощью ацетона или эфира, после взрыва определяли процент газообразных продуктов взрыва, проникших в трещины. В результате опытов установлено, что при взрыве без забойки в трещины проникает 30—40 %, а при взрыве с забойкой более 70 % газообразных продуктов. Однако установить количественное влияние газов взрыва на разрушительный эффект пока не удалось.

При дальнейшем удалении волны деформации от заряда растягивающие тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы растяжению. Поэтому за пределами этого расстояния разрушений происходить не будет, а будут иметь место только упругие колебательные смещения частиц породы.

После снижения давления газов в центре взрыва сильно сжатая порода будет разгружаться и смещаться в сторону центра заряда, за счет чего условный радиус сферы уменьшится, а участки породы, прилегающие к полости, будут испытывать напряжения растяжения в радиальных направлениях. В результате этого в породе появляется ряд кольцевых тангенциальных трещин (см. рис. 8.5).

При количественной конкретизации схемы действия камуфлетного взрыва на скальный массив Г.И. Покровским выделено четыре стадии воздействия продуктов детонации на горную породу.

В первую стадию детонационная волна (v_дв = 4—6 км/с) выходит на поверхность контакта «ВВ—порода», в последней генерируется ударная волна (v_уд = 3—5 км/с) высокой амплитуды, превышающей на порядок предел прочности породы на сжатие.

При этом ударная волна производит интенсивное мелкодисперсное (доли миллиметра) дробление породы. Теоретические оценки показывают, что на этой стадии радиус действия взрыва промышленных ВВ очень незначителен (0,3—0,5) r_зи не достигает более одного радиуса заряда. В области действия ударной волны имеет место интенсивная диссипация энергии. происходит быстрое уменьшение амплитуды ударной волны и уменьшение скорости ее распространения. В момент, когда скорость распространения ударной волны уменьшается до скорости распространения продольных волн

ударная волна превращается в упругую и начинается вторая стадия волнового упругого динамического воздействия взрыва заряда ВВ на породу. Амплитуда упругой волны еще существенно больше предела прочности породы на сжатие, поэтому передний фронт распространения упругой волны является одновременно и фронтом поверхности разрушения породы.

На второй стадии действия взрыва существуют расширяющаяся полость, заполненная газообразными продуктами детонации, и зона мелкодисперсного дробления породы. Давление газов в полости передается через раздробленную массу на передний фронт упругой волны, разрушающей породу. В процессе распространения упругой волны амплитуда уменьшается как за счет диссипации энергии при разрушении породы, так и вследствие расхождения — увеличения длины фронта с увеличением радиуса его поверхности.

Третья стадия действия начинается в момент, когда амплитуда переднего фронта упругой волны уменьшается до значений динамической прочности породы.

Для третьей стадии действия взрыва характерно формирование нескольких зон деформирования и разрушения породы:

¨ зона мелкодисперсного дробления породы за счет действия продуктов детонации;

¨ зона радиального трещинообразования породы;

¨ зона упругого деформирования.

В конце третьей стадии действия взрыва в ближней зоне возникает уравновешенное напряженно-деформированное состояние и из упругой волны выделяется сейсмическая волна, максимальная амплитуда которой изменяется по закону

где ¾ динамический предел прочности на сжатие породы; ¾ текущий радиус переднего фронта сейсмической волны; ¾ радиус зоны мелкодисперсного дробления породы в конце второго этапа; R — конечный радиус зоны мелкодисперсного дробления породы.

В каждой точке породы в зоне упругого деформирования растягивающие напряжения имеют одинаковый порядок со сжимающими. Но поскольку для горных пород допустимые сжимающие напряжения существенно (на порядок и более) выше растягивающих, то в них в первую очередь образуются радиальные трещины.

В конце третьей стадии действия распределение напряжений в зоне радиального трещинообразования описывается соотношениями:

где r ¾ радиус произвольной точки породы в области — конечный внешний радиус зоны мелкодисперсного дробления породы.

При соотношение между и будет иметь вид

В сущности, есть радиус трещинообразования регулируемого дробления породы, а — радиус полости, образованной в массиве при взрыве сосредоточенного заряда. Отношение где d₃ — диаметр заряда, является коэффициентом простреливания . Обычно для скальных пород . Тогда получим

Размер полости, образованной радиальными трещинами, имеет одинаковый порядок с объемом полости, занятой продуктами детонации в конце третьей стадии действия взрыва.

В четвертой стадии имеет место образование кольцевых трещин как в зоне радиального трещинообразования так и в зоне упругого деформирования. Кольцевые трещины образуются вследствие того, что в определенный момент взрыва по многочисленным трещинам продукты взрыва из полости прорываются в атмосферу и в ней происходит резкое падение давления, которое приводит к разгрузке сжатой породы в зонах радиального трещинообразования и упругого деформирования. При этом возникает движение частиц породы к центру заряда и появляются растягивающие радиальные напряжения, вследствие которых и возникают кольцевые трещины вокруг полости.

При взрыве заряда вблизи открытой поверхности частицы среды, не имеющие преграды, под действием достигшей этой поверхности волны напряжений начинают свободно двигаться в сторону этой поверхности, вовлекая в этот процесс все более отдаленные от поверхности участки среды. По массиву начинает распространяться отраженная волна, на фронте котором возникают растягивающие напряжения.

Волна растяжения представляет собой отраженную от открытой поверхности волну сжатия и распространяется так, как если бы она шла отмнимого изображения заряда (рис. 8.7), величина которого одинакова с действительно взорвавшимся зарядом, а расположен он снаружи на расстоянии от открытой поверхности, равном ЛНС взорванного заряда.

Поскольку порода обладает в 10—20 раз меньшим сопротивлением растягивающим нагрузкам по сравнению со сжимающими, то у открытой поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием тангенциальных трещин и формированием откольной воронки.

Разрушения от поверхности распространяются в глубь заряда, за счет чего происходит разрушение (дробление) всего внутривороночного объема породы.

Рис. 8.7. Схема образования у открытой поверхности отраженной волны:

1 ¾ действительный заряд; 2 ¾ мнимый заряд; 3 ¾ прямая волна сжатия; 4 ¾ отраженная волна

Определение параметров волн напряжений, распространяющихся в массиве при взрыве, проф. А.Н. Ханукаевым предложено проводить в котловане (4´4´3 м), заполненном водой (рис. 8.8). В вертикальных стенах котлована бурят шпуры для размещения зарядов, а на расстоянии 5—8 см от стенок в воде устанавливают пьезодатчики для фиксации параметров преломленной волны в воде. Параметры волн напряжений находят по формулам

;

где r_в, с_в и r_п, с_п ¾ соответственно плотности и скорости продольных волн в воде и породе соответственно; k_пр ¾ коэффициент преломления; s_t ¾ радиальное напряжение в породе, Па;
p_t ¾ давление в воде, Па.

Аналогичные измерения можно проводить на образцах породы, опущенных в котлован с водой.

Трещиноватые скальные массивы разрушаются как под действием давления газов взрыва, так и под действием волны напряжений, а разрушения распространяются как от зарядной камеры, так и от открытых поверхностей навстречу друг другу. Под действием высокого давления газов взрыва в месте зарядной камеры образуется полость, вокруг которой расположена зона разрушенной породы.

Сквозные трещины массива генетического и тектонического происхождения являются поверхностями раздела, которые препятствуют распространению волны напряжений и разрушений за пределами зоны, ограниченной этими трещинами. У поверхности каждой трещины происходит скачкообразное падение напряжений в волне за счет ее частичного отражения от трещины (рис. 8.9). За счет этого напряжения в трещиноватом массиве при удалении от заряда одинаковой массы снижаются более интенсивно по сравнению с монолитным, а трещины от заряда распространяются на меньшее расстояние. Порода за пределами отдельностей, контактирующих с зарядом, разрушается в основном под действием механического соударения отдельностей. Поэтому в массе породы создается несколько очагов разрушения под действием прямых, отраженных волн, газов взрыва и соударения пород различных зон.

Рис. 8.8. Схема определения параметров волн напряжений в массиве при взрыве заряда: 1 ¾ заряд ВВ в массиве; 2 ¾ датчик давления в воде

s, Па

Рис. 8.9. Изменение величины напряжений от взрыва для трещиноватого и монолитного массива:

1 ¾ монолитный массив; 2 ¾ трещиноватый массив; 3 ¾ плоскости трещин в массиве

В трещиноватом массиве, по данным автора учебника, имеют место два механизма разрушения отдельностей при взрыве:

¨ волновой характер для отдельностей, которые пронизаны зарядом или которые расположены в непосредственной близости от него (имеют контакт с зарядом);

¨ кинетический (механический) характер для отдельностей, которые расположены за пределами зоны волнового действия взрыва. С учетом установленных механизмов разрушения трещиноватых массивов выделяются две основные зоны:

зона регулируемого дробления, где имеет место прямое взрывное воздействие на породу и можно, зная ее свойства (динамические), изменением параметров взрывного воздействия менять интенсивность разрушения породы в этой зоне;

зона мало (практически) нерегулируемого дробления, в которой разрушения происходят вследствие механических соударений. Дробление при этом зависит от ширины и направления трещин, размеров отдельностей и наличия в них микродефектов, масштаба взрыва (величин d₃ и W) и т.д., что не поддается регулированию. С увеличением масштаба взрыва относительный объем этой зоны увеличивается.

8.3. Процесс разрушения пород
при одновременном взрывании
нескольких зарядов

Взрывы одиночных зарядов в горном деле применяются довольно редко. Поэтому необходимо знать особенности взаимодействия нескольких зарядов, взрываемых одновременно.

Изучение взаимодействия между зарядами проф. М.Ф. Друкованным на оптически активных и прозрачных моделях при скоростной киносъемке процесса развития взрыва показывает, что до момента встречи полей напряжений соседних зарядов среда вокруг каждого заряда ведет себя так, как будто произошел взрыв одиночного заряда, а затем возникает сложная картина интерференции волн напряжений с заметной разницей в интенсивности дробления среды по линии, соединяющей заряды и в направлении ЛНС.

При встрече волн напряжений от соседних зарядов напряженное состояние среды резко меняется. Рассматривая элемент среды, выделенный из массива на линии, соединяющей соседние заряды, видим (рис. 8.10, а), что в направлении, перпендикулярном линии между зарядами, действуют увеличенные, по сравнению с одиночным взрыванием, растягивающие напряжения. Это вызывает усиленное действие взрыва и образование магистральной трещины по линии расположения зарядов без интенсивного дробления породы вокруг нее, особенно при небольшом коэффициенте сближения (отношение расстояния между зарядами к ЛНС или СПП).

Нашими опытами на моделях, составленных из блоков, установлено, что радиус разрушения отдельностей по линии, соединяющей одновременно взрываемые заряды, увеличивается в 1,6—2,0 раза. При этом отдельности разрушаются в основном одной магистральной трещиной. При этом конец трещины в одной отдельности, как правило, совпадает с началом трещины в следующей отдельности. Этот эффект усиленного разрушительного действия взрыва на линии, соединяющей одновременно взрываемые заряды, использован при контурном взрывании (проходка выработок), заоткоске уступов, проектировании схем многорядного короткозамедленного взрывания (отбойка на карьерах).

В определенных объемах породы, расположенных между скважинами и открытой поверхностью в глубине взрываемого массива, имеются зоны, где происходит взаимная компенсация напряжений, проявляющихся в массиве от взрыва соседних зарядов, и общее ослабление напряженного состояния по сравнению с одиночным взрыванием. В этих зонах (рис. 8.10, б) порода подвергается наименьшему дроблению. Минимальный объем этих зон получается при коэффициенте сближения зарядов m > 1. При ведении взрывных работ следует стремиться максимально уменьшить размеры зон пониженного дробления. Это достигается за счет увеличения коэффициента сближения скважин (m > 2) и применения разновременного взрывания соседних зарядов.

N₁

s₁ + s₂

s₁ – s₂

s₂

s₁

N₂

N₁

s₁ s₂

Рис. 8.10. Схема напряженного состояния различных участков массива при одновременном взрыве двух соседних зарядов:

а ¾ на линии, соединяющей заряды; б ¾ в глубине массива между зарядами

При взрыве одиночного удлиненного заряда в области упругого деформирования в породе генерируются радиальные напряжения сжатия и азимутальные растягивающие напряжения . При одновременном взрыве удлиненных зарядов 1 и 2 будет иметь место сложение сжимающих радиальных напряжений и растягивающих азимутальных. При этом в плоскости расположения зарядов напряжения и , а также пара и будут совпадать по направлению и по знаку. Поэтому учитывая образование трещин между зарядами 1 и 2 по плоскости произойдет, по крайней мере, при .

С удалением от плоскости расположения зарядов радиальные и тангенциальные напряжения, генерируемые породе зарядом (1), не будут совпадать с соответствующими напряжениями, генерируемыми в породе в результате воздействия на нее заряда 2. Вследствие этого суммарное напряжение, возникающее в породе от действия двух этих зарядов, будет уменьшаться. При одновременном взрыве двух удлиненных зарядов в результате их взаимного воздействия наибольшие напряжения возникают в плоскости этих зарядов, а во всех остальных точках массива напряжения будут меньше, а в точке, находящейся на пересечении радиусов, направленных под углом 45° к плоскости зарядов, напряжение будет равно нулю.

Взаимное влияние при взрыве двух удлиненных зарядов будет существенным, когда радиус области радиального трещинообразования по плоскости расположения зарядов будет больше среднего размера куска на 20 и более процентов.

Расчетами установлено, что взаимодействие двух удлиненных зарядов будет иметь место при расстояниях а до трех радиусов регулируемого дробления r₀, т.е. . При трещины от обоих зарядов сомкнутся, образуя одну полость. Это приводит к изменению характера воздействия на породу продуктов детонации зарядов, поскольку они устремляются в эту трещину. При этом происходит отрыв блока породы от массива с незначительным ее дроблением около зарядов. При имеет место разрушение породы, как при взрыве одиночных зарядов.

Первая область значения обычно используется при контурном взрывании и при добыче штучного камня, а вторая при дроблении горных пород.

Поэтому для улучшения дробления породы сближать удлиненные заряды, повышать удельный расход ВВ можно только до определенного для каждой породы предела. С дальнейшим же увеличением (сближением зарядов) можно получить ухудшение дробления породы и повышение выхода крупных фракций.

8.4. Процесс разрушения пород

при короткозамедленном

взрывании зарядов

Кopoткoзaмeдлeнным нaзывaeтcя последовательное взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды (миллисекунды). Поэтому иногда этот метод называют миллисекундным.

Короткозамедленное взрывание (КЗВ) впервые было применено в 1934—1935 гг. инж. К.А. Берлиным при проходке вертикального ствола с целью получения в центре забоя конусообразного навала породы. С 50-х годов КЗВ начинают широко применять для снижения сейсмического действия взрыва и затем для улучшения дробления (с 1945 г. в США, с 1949 г. в Англии). На карьерах СССР этот метод начинает внедряться с
1951 г. (С.А. Давыдов) на комбинате «Союзасбест».

Основными факторами, определяющими эффективность КЗВ, являются интервал замедления и последовательность разрушения участков массива и их движения (соударения) в процессе разлета горной массы. Эти параметры изменяются в зависимости от свойств пород, схемы расположения зарядов, задачи взрыва (дробление, перемещение породы и т.д.).

Получаемый при КЗВ эффект определяется следующими факторами:

¨ интерференцией волн напряжений от соседних зарядов;

¨ образованием дополнительных открытых поверхностей;

¨ соударением разлетающихся кусков при взрыве соседних зарядов.

При малых интервалах (до 5 мс) имеет место интерференция волн напряжений, при средних (15—200 мс) — образование дополнительных открытых поверхностей, при больших (> 200 мс) соударение. Все их следует рассматривать как составные элементы единого процесса взаимодействия зарядов при КЗВ.

Ниже рассмотрены основные виды взаимодействия взрывов зарядов при КЗВ и их роль в увеличении эффекта разрушения.

Интерференция волн напряжений происходит в том случае, когда направления смещения частиц от предыдущего и последующего взрывов совпадают. При этом увеличиваются суммарные смещения, напряжения и интенсивность разрушения мас-
сива.

Волна напряжений 1 (рис. 8.11) от заряда Q₁ распространяется до открытой поверхности и, отражаясь от нее, образует отраженную волну растяжения 2, которая распространяется в глубь массива. Взрыв второго заряда Q₂ должен быть произведен в момент, когда волна растяжения от первого заряда будет проходить через место расположения заряда Q₂, что облегчит его действие и увеличит эффект разрушения, производимого в массиве. Требуемый интервал замедления для обеспечения интерференции волн напряжения рекомендуется определять по формуле проф. Г.И. Покровского:

где а ¾ расстояние между зарядами, м; W ¾ ЛНС или СПП, м; ¾ скорость распространения волн напряжений в массиве, м/с.

Рис. 8.11. Схема интерференции волн напряжений при КЗВ соседних зарядов

При скорости распространения волн напряжений в массиве 4—5 км/с, ЛНС или СПП, равными 1—8 м, время прохождения волн составляет 0,25—2 мс. Для достижения таких интервалов замедления можно использовать петли ДШ, учитывая, что отрезок ДШ длиной 6,5 м детонирует за время 1 мс.

Учитывая, что видимые разрушения (подвижки) массива начинаются после 25—250 мс после взрыва, проф. Ю.С. Мец предложил использовать микрозамедления между соседними зарядами для многократного взрывного нагружения массива до его разрушения с целью повышения интенсивности дробления и создания микротрещин в кусках разрушенной горной массы.

Эффект интерференции волн напряжений может быть достигнут, если в каждом заряде устанавливать средства инициирования, срабатывающие в момент прохода через заряд волны напряжений от соседнего взрыва.

Длительность упругих колебаний в массиве породы после взрыва в зоне разрушения не превышает 4—6 мс, в то время как применяемые на практике интервалы замедлений, обеспечивающие улучшение дробления породы, составляют 20—70 мс. В трещиноватых породах с удалением от заряда амплитуда волн напряжений резко снижается и их роль в дроблении оказывается несущественной.

Поэтому использование эффекта интерференции волн напряжений для увеличения интенсивности дробления пород требует очень точного (до 0,1 мс) подбора интервала замедления, а поскольку скорость волн напряжений, интенсивность трещиноватости и расстояние между зарядами меняются от скважины к скважине, то использовать этот эффект в реальных условиях проведения взрывных работ весьма затруднительно.

Образование дополнительных открытых поверхностей взры-вом предыдущих серий зарядов обеспечивает образование в массиве дополнительных отраженных волн растяжения от взрыва последующих серий, что увеличивает эффект разрушения, ослабляет массив и облегчает его окончательное разрушение давлением газов взрыва. В сторону открытых поверхностей происходит сдвижение породы при ее разрушении.

С увеличением числа открытых поверхностей массива у взрываемого заряда объем разрушения увеличивается примерно пропорционально их числу (рис. 8.12), так как взрыв с точки зрения разрушения происходит в более благоприятных условиях.

Дробление породы всегда происходит с увеличением ее первоначального объема при обязательном смещении его в сторону открытых поверхностей. При недостаточной ширине щели разрушение будет затруднено, так как не успевшая сдвинуться на достаточную величину после первого взрыва порода будет оказывать дополнительное сопротивление следующему взрыву. Поэтому ширина пространства между нарушенной и ненарушенной частями массива должна быть пропорциональна ЛНС и минимальному коэффициенту разрыхления данной породы для достижения ее дробления.

Необходимая ширина пространства для получения открытой поверхности, по данным опытов, должна быть в пределах (1/20¸1/30)W.

Схема разрушения массива при образовании дополнительных открытых поверхностей показана на рис. 8.13.

Интервал замедления между взрывами зарядов следует выбирать исходя из того, что за это время должно произойти отделение от массива разрушенной первой очередью зарядов части породы на расстояние, достаточное, чтобы образовавшуюся щель можно было считать открытой поверхностью, т.е.

где t₁ ¾ время распространения волн напряжений от заряда до открытой поверхности, мс; t₂ ¾ время образования трещин по контуру призмы разрушения, мс; t₃ ¾ время сдвижения массива для образования трещины достаточной ширины, мс.

Рис. 8.12. Увеличение разрушительного действия взрыва с увеличением числа открытых поверхностей

Рис. 8.13. Образование дополнительных открытых поверхностей при короткозамедленном взрывании (1, 2 — заряды)

Обычно мс мало по сравнению с t₂ и t₃ Поэтому можно принять: . Из геометрических соображений

где v_тр¾ скорость образования трещин при взрыве, м/с; h ¾ коэффициент трещиноватости ; a ¾ угол полураствора воронки (призмы) разрушения, принимаемый в расчетах ~45°.

Для пород с м/c и скважин диаметром 220—250 мм t₂ = 15—20 мс.

Для определения t₃ принимается, что разрушаемый взрывом заряда объем породы сдвигается как монолитная призма. При этом

где ¾ плотность породы, кг/см³; d ¾ диаметр скважин, см; W ¾ сопротивление по подошве, см.

Для скважин диаметром 220—250 мм и плотности пород (2,2—2,8) 10^–3 кг/дм³ мс.

Таким образом, общее время замедления составляет 25—
35 мс. Опытные взрывы, проведенные на горных предприятиях, показали, что этот интервал близок к оптимальному и уменьшается с увеличением крепости взрываемых пород.

Оптимальный интервал замедления при взрывании в подготовительных выработках угольных шахт может быть определен по следующей эмпирической формуле:

мс,

где с ¾ скорость продольных волн в породе, мс; ¾ плотность породы, кг/м³.

Развитием КЗВ является предложение к.т.н. Л.М. Геймана о применении внутрискважинных замедлений для инициирования рассредоточенных в скважине зарядов. При этом каждая часть заряда не может вызвать взрыв других частей, а интервал замедления предлагается принимать в пределах 10—25 мс. Такая схема взрывания позволяет дополнительно улучшить дробление породы и снизить сейсмическое воздействие взрыва.

До настоящего времени нет общепризнанной теории КЗВ и методики выбора интервала замедления, а поэтому рекомендуемые параметры КЗВ определяются на основе проведения опытных взрывов.

Соударение перемещающихся от взрыва зарядов кусков породы происходит вследствие того, что разные участки массива при взрыве имеют разные скорости и направления движения. При столкновении кусков происходит их дополнительное дробление. Опыты показывают, что наилучший эффект дробления породы получается при встречном соударении и если направления разлета кусков породы пересекаются под углом не менее 90°. В случае порядного взрывания соударение кусков также имеет место вследствие того, что передний фронт взорванной породы последующего взрыва, двигающийся со скоростью 20—60 м/с, соударяется с задним фронтом породы от предыдущего взрыва, двигающимся со скоростью 3—6 м/с.

Расчетами установлено, что при разности скоростей движения более 15 м/с происходит дробление соударяющихся кусков. При взрыве с высокими удельными расходами ВВ разность скоростей может быть значительно выше, особенно при врубовых и встречных схемах КЗВ. Отдельным вопросом является применение КЗВ в шахтах, опасных по взрыву метана и угольной пыли. За счет его применения можно в выработке или лаве завершить взрывы за такой суммарный интервал времени, в течение которого из разрушенного угля и дополнительных открытых поверхностей забоя не успеет выделиться количество метана, необходимое для того, чтобы атмосфера в забое стала взрывоопасной. По ЕПБ примерный интервал замедления составляет, как сказано выше, 200—320 м/с.

8.5. Общие принципы расчета

разрушающего действия зарядов

Сущность применяемых в настоящее время методов расчета разрушающего действия зарядов состоит в определении удельного расхода ВВ на 1 м³ (т) взрываемого массива и определения расчетного объема массива, разрушаемого при взрыве.

Удельный расход ВВ зависит от свойств породы (крепости и трещиноватости), метода ведения взрывных работ (шпуровые, скважинные или камерные заряды) и цели взрыва (взрывы на простреливание, на дробление, на выброс породы). В настоящее время значения удельных расходов ВВ принимают на основе обобщения данных практики с последующим уточнением для каждого конкретного горного предприятия и выработки с учетом анализа выполненных ранее взрывов. На основе анализа промышленных взрывов на предприятии составляется классификация горных пород и по их взрываемости (обычно выделяются 3—8 категорий пород) с приведением для каждой категории рекомендуемого расчетного удельного расхода ВВ.

При определении объема взрыва обычно пользуются элементарным расчетом, уподобляя взрываемый объем какой-то геометрической фигуре. Как правило, фактический объем разрушения не соответствует расчетному и, следовательно, удельный расход ВВ, вводимый в расчетные формулы из таблиц, не будет соответствовать фактическому удельному расходу ВВ. Но в дальнейшем в книге мы будем пользоваться для простоты понятием «расчетный удельный расход ВВ» с учетом сделанных оговорок, т.к. эта неточность не влияет на конечный результат взрыва.

Рассмотрим в общем виде принцип расчета сосредоточенных и удлиненных зарядов рыхления (дробления) и выброса, на базе которых в дальнейшем изложены способы расчета зарядов для конкретных условий.

А. Сосредоточенные заряды рыхления (дробления)

Исходные расчеты ведутся из предположения, что при взрыве образуется конусообразная воронка взрыва, угол при вершине которой составляет 90°. Объем такой воронки, называемой нормальной, равный объему конуса, определяется по формуле

м³.

Учитывая, что при нормальной воронке показатель действия взрыва , а следовательно найдем, приняв , что . расчетная формула примет вид

где q_н ¾ расчетный удельный расход ВВ для нормальной воронки взрыва, кг/м³.

Эта величина удельного расхода ВВ часто принимается за стандарт, характеризующий взрываемость пород. На предприятиях составляются классификации пород по взрываемости, в которых определяются величины удельных расходов ВВ при стандартных условиях

Установлено, что при уменьшении или увеличении заряда нормального выброса соответственно уменьшается или увеличивается показатель действия взрыва и при сравнении расчета с экспериментом оказывается, что разрушения породы при показателе действия взрыва меньше единицы происходит с меньшими удельными расходами ВВ, а при показателе действия взрыва больше единицы ¾ большими по сравнению со стандартными удельными расходами, т.е. величина расчетного удельного расхода ВВ зависит от показателя действия взрыва. Поэтому в расчетные формулы вводится функция показателя действия взрыва f(n), которая учитывает изменение фактического расчетного удельного расхода ВВ по сравнению со стандартным (при воронке нормального выброса), а формула расчета зарядов принимает вид

при

Опытами Союзвзрывпрома установлено, что для зарядов дробления (рыхления) численное значение функции показателя действия взрыва может быть принято т.е. величина сосредоточенного заряда рыхления определяется по формуле

Для определения значения функции f (n) имеется большое количество формул, однако большинство из них не получило распространения в практике взрывных работ. Обычно расчетный удельный расход ВВ принимается по специально составленным таблицам и уточняется в процессе ведения взрывных работ с учетом свойств взрываемых пород и задач взрыва (см. табл. 1.4).

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 2396; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!