lukyanov-взрывные работы

Профессор А.Н. Ханукаев по характеру сил разрушения и их роли в процессе разрушения делит горные породы на три группы:

•грунтовые массивы с акустической жесткостью

λ≤5·105 г/(см2·с);

•массивы средней прочности с акустической жесткостью

λ= (5…15)·105г/(см2·с);

•крепкие сакустической жесткостьюλ > 15·105 г/(см2·с). Акустической жёсткостью (волновымсопротивлением) называется произведение

плотностигорнойпородынаскоростьпродольныхволн(ρСр). Породы с малой акустической жёсткостью в основном разруша-

ются за счёт давления газов взрыва, находящихся во взрывных камерах, жёсткие породы – за счёт волн напряжений.

Характер разрушений при этом различен: волны напряжения вызывают радиальные и тангенциальные трещины; газы взрыва – смятие среды или разрушение её в процессе движения.

Разрушение мёрзлых пород взрывом в основном зависит от температуры и льдистости последних. Менее влажные мёрзлые породы разрушаются в основном в результате удара и давления газообразных продуктов взрыва. Роль волн напряжений в этом случае проявляется незначительно. При более влажных породах, соответствующих полному заполнению пор пород льдом, разрушение при взрыве такого массива происходит под действием волн напряжений и давления газообразных продуктов взрыва, т. е. взрываемость мёрзлых грунтов зависит от их льдистости, определяемой влажностью и температурой пород.

Грунтовые массивы (пески, супеси, некоторые глины и суглинки) разрушаются в результате запаса кинетической энергии, приобретённой средой при расширении газообразных продуктов взрыва. Разрушения под действием волн напряжений в этих породах незначительны. Последовательность разрушения грунтового массива показана на рис. 6.4 и характеризуется следующим. При взрыве вокруг заряда образуется шаровая полость, заполненная газами взрыва. В неограниченном массиве действие взрыва заканчивается образованием полости некоторого предельного диаметра. Размеры полости зависят от свойств массива, массы и формы заряда, работоспособности и бризантности ВВ, плотности заряжания. Этот эффект используют для образования специальных полостей для хранения газообразного или жидкого топлива, котлов в скважинах и шпурах при простреливании для размещения увеличенной массы заряда, при проходке колодцев, шурфов и стволов в мягких породах.

Свободная поверхность при взрыве заряда ВВ в грунтовом массиве влияет на дальнейшее развитие взрыва. Полость взрыва начинает принимать грушевидную форму с большей осью, направленной по линии наи-

281

меньшего сопротивления. 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. В момент, близкий к концу взрыва, оболочка прорывается в верхней части полости, и дальнейшее движение породы происходит в результате свободного полёта отдельных частиц. В процессе падения породы формируется открытая воронка. У краёв воронки образуется гребень из разрушенной породы. Часть её сползает вниз, придавая воронке угол естественного откоса и уменьшая её объём.

При зарядах усиленного выброса в воронку падает незначительная часть грунта. При зарядах нормального и уменьшенного выброса видимая глубина воронки всегда меньше глубины заложения заряда.

Рис. 6.4. Разрушение грунтового массива взрывом заряда ВВ:

I–VII – фазы образования воронки

Поскольку для воронки нормального выброса объём разрушаемой породыприблизительносоставляет W13 , массазаряданормальноговыброса

где qн – удельный расход нормального выброса, кг/м3; V – объём разрушаемой породы, м3; W1 – линия наименьшего сопротивления (расстояние до свободной поверхности, глубина заложения заряда), м.

282

Воснову всех расчётов параметров БВР положен удельный расход ВВ, численно равный массе заряда, который необходим для разрушения единицы объёма (массы) горной породы. Удельный расход ВВ зависит в основном от физико-механических свойств горных пород.

При описании процесса разрушения скальных монолитных массивов взрывом учитывается, что скорость детонации ВВ значительно выше скорости распространения волн напряжений в породе. Поэтому поверхность породы воспринимает действие давления продуктов взрыва одновременно по всей площади его соприкосновения с массивом. На поверхности раздела «заряд–порода» детонационная волна переходит в ударную с весьма высокой амплитудой.

Экспериментально установлено, что в скальных горных породах 75…88 % общего объёма разрушений совершается под действием волновых процессов и 12…25 % – под действием расширяющихся продуктов детонации.

Область распространения ударной волны ограничена объёмом, радиус которого составляет 3–7 радиусов заряда.

Вэтом объёме порода быстро сжимается и смещается вслед за фронтом волны деформации.

Напряжение на фронте волны превышает модуль объёмного сжатия среды, а сами нормальные напряжения соосны, благодаря чему порода вблизи заряда раздавливается и переходит в текучее состояние, образуя зону пластических деформаций с системой многочисленных пересекающихся трещин, изменяющих её структуру (рис. 6.5). В этой зоне порода находится в состоянии неравномерного всестороннего сжатия. Затухание напряжений в области ударных волн в большей степени подчиняется примерно кубической зависимости.

По мере удаления от эпицентра передний фронт ударной волны выполаживается, и она переходит в волну сжатия, вызывающую неупругое возмущение среды. Параметры вещества на фронте волны сжатия меняются достаточно плавно. Скорость распространения возмущения равна скорости звука в данной среде, а время изменения состояния вещества всегда меньше времени возвращения его в состояние покоя. Затухание напряжений в этой зоне с расстоянием подчиняется квадратичной зависимости. Среда ведёт себя неупруго с возникновением остаточных деформаций, ведущих к нарушению сплошности строения среды. Под действием прямой волны напряжений, распространяющейся от заряда, в среде в радиальном направлении возникают сжимающие напряжения, а в тангенциальных – растягивающие, которые и обеспечивают появление радиальных трещин. Кроме того, под действием высокого давления порода деформируется, и радиусы условно выделенных вокруг

283

заряда сфер увеличиваются. В результате этого порода в радиальных направлениях будет испытывать растягивающие напряжения, которые и обеспечивают дополнительное развитие в массиве радиальных трещин.

После быстрого снижения давления газов в центре взрыва сильно сжатая порода смещается в сторону центра заряда и условный радиус выделенной сферы уменьшается. В результате этого в породе появляются кольцевые (откольные) трещины.

Рис. 6.5. Схема разрушений монолитной скальной породы вокруг заряда камуфлета (а –зона трещинообразований, b – зона измельчения)

При дальнейшем удалении волны напряжений от заряда растягивающие тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы растяжению. Зона распространения волны сжатия в скальных породах ограничена 120–150 радиусами заряда.

По мере дальнейшего выполаживания переднего фронта волны сжатия в среде наблюдается её переход в сейсмическую волну, вызывающую упругое возмущение среды. Параметры состояния вещества на фронте практически не меняются. Скорость распространения сейсмической волны равна скорости звука в данной среде, а время возвращения вещества в состояние покоя равно времени его выведения из этого состояния. Область распространения сейсмической волны определяется общей массой заряда. Предельные размеры сейсмически безопасных зон были рассмотрены в предыдущей главе. Затухание напряжений в сейсмической волне с расстоянием от заряда происходит по линейной зависимости. В сейсмическую волну трансформируется около 1 % потенциальной энергии ВВ.

284

Для решения задач дробления горных пород взрывом представляют интерес первые две зоны.

При взрыве заряда вблизи обнаженной поверхности (рис. 6.6) волна напряжений у её границы вызывает смещение частиц среды, не имеющих преграды, в сторону свободной поверхности, вовлекая в этот процесс все более отдаленные от поверхности участки породы. По массиву, таким образом, начинает распространяться отраженная волна растяжения, напряжения в которой по знаку противоположны напряжениям прямой волны.

Волна растяжения представляет отраженную от обнажённой поверхности волну сжатия и распространяется так, как если бы она была образована от взрыва минного заряда, величина которого одинакова с действительно взорвавшимся зарядом, который расположен снаружи на расстоянии от обнажённой поверхности, равном л.н.с. взорванного заряда.

Рис. 6.6. Схема образования у обнаженной поверхности отраженной волны растяжения: 1 – зеркальное отображение заряда (минный заряд);

2 – фронт падающей волны; 3 – заряд ВВ в породе; 4 – фронт отраженной волны

Поскольку порода обладает в 10–30 раз меньшим сопротивлением растягивающим нагрузкам по сравнению со сжимающими, у обнаженной поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием трещин и откольной воронки.

При достаточной массе заряда (его энергии) разрушения, распространяющиеся вглубь массива от поверхности, смыкаются с разрушениями, происшедшими вокруг заряда, что приводит к разрушению всего объёма породы внутри воронки.

Общее напряженное состояние, возникающее при взрыве одиночного заряда и вблизи свободной поверхности, показано на рис. 6.7, где σR и σт – соответственно нормальные и касательные напряжения.

285

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

Рис. 6.7. Распределение главных напряжений при взрыве заряда ВВ в среде под действием прямой волны сжатия (а);

волн сжатия и растяжения на границе раздела полупространства (б); отраженных волн растяжения (в); волн разряжения(г)

Сквозные трещины массива являются поверхностями раздела, которые препятствуют распространению волн напряжений и разрушений за пределами зоны, ограниченной этими трещинами. У плоскости каждой трещины происходит скачкообразное падение напряжений σ волны вследствие ее частичного отражения от трещины (рис. 6.8). За счёт этого напряжения в трещиноватом массиве снижаются более интенсивно, чем в монолитном, а трещины от заряда распространяются на меньшее расстояние r. За пределами трещин порода разрушается в основном под действием механического соударения разрушенной вокруг заряда породы с остальным разрушаемым объёмом. Поэтому в трещиноватом массиве породы под действием прямых и отраженных волн создается несколько очагов разрушения.

Экранирующее действие трещин увеличивается с увеличением их ширины, а также при заполнении трещин более вязкими материалами, которые оказывают амортизирующее влияние при ударе отдельностей друг о друга.

286

6.4. Одновременное действие группы зарядов ВВ в горной породе

На горных предприятиях основные работы по отделению части, массива и его рыхлению выполняют взрыванием серии зарядов, расположенных в массиве по определённой сетке. При взрывании серии зарядов происходит взаимодействие взрывов смежных зарядов, при этом имеет место сложение сжимающих радиальных и растягивающих азимутальных напряжений. В плоскости расположения смежных зарядов (рис. 6.9, а) одноименные напряжения σ1 совпадают по направлению и по знаку. Растягивающие напряжения σ2 приводят к разрыву массива по линии расположения заряда без интенсивного дробления, особенно при малом коэффициенте сближения зарядов. С удалением от плоскости расположения зарядов одноименные напряжения от действия смежных зарядов не будут совпадать, поэтому суммарное напряжение будет уменьшаться. В породе, расположенной между линией зарядов и открытой поверхностью, в глубине массива (рис. 6.9, б) имеются зоны, где происходит взаимная компенсация напряжений от соседних зарядов. В этих зонах порода подвергается минимальному дроблению (зоны пониженных напряжений).

Повышение эффекта использования энергии взрыва серии зарядов может быть достигнуто при таком их расположении, когда полностью ликвидируются зоны пониженных напряжений. В простейшем случае уменьшение объёма этих зон достигается увеличением коэффициента сближения зарядов (отношения расстояния между зарядами к линии наименьшего сопротивления) m >1. В результате перемещается зона пониженных напряжений от линии зарядов в область действия отражённой волны или даже за пределы массива породы. Наряду с этим увеличение расстояния между зарядами в некоторых породах может привести к снижению качества разрушения массива в подошве забоя.

Рис. 6.9. Схема напряженного состояния различных участков массива при одновременном взрыве соседних зарядов

288

Максимальный эффект может быть получен при полной ликвидации таких зон благодаря расположению зарядов по квадратной сетке и диагональному взрыванию.

Если уменьшить массу зарядов и расстояние между ними или применить ВВ с пониженной теплотой взрывания, то в результате перераспределения напряжений можно обеспечить интенсивное дробление и точный отрыв породы по линии расположения зарядов без образования заколов в массиве. Это учитывается расположением оконтуривающих шпуров при проведении выработок, а также при добыче блочного камня и так называемом контурном взрывании, при котором достигается точное оконтуривание выработки по проектному сечению. Контурное взрывание в выработках улучшает их устойчивость, сокращает отбойку излишка породы из законтурного пространства, затраты на её погрузку, транспортировку, на крепление.

В наиболее общем виде можно выделить следующие случаи взаимодействия смежных зарядов при одновременном взрывании:

•при расстоянии между зарядами, большем трёх радиусов зоны радиального трещинообразования, наблюдается разрушение, как при действии одиночных зарядов;

•при расстоянии между зарядами, меньшем трёх радиусов зоны радиального трещинообразования, наблюдается взаимодействие двух зарядов;

•при расстоянии между зарядами, меньшем 2,8 радиуса зоны радиального трещинообразования, трещины от обоих зарядов смыкаются образуя одну полость, при этом происходит отрыв блока пород от массива с незначительным ее дроблением вблизи зарядов.

При мгновенном взрывании не успевает образовываться дополнительная свободная поверхность, поэтому управление взрывом затруднено. Этот метод взрывания обычно применяют при однорядном взрывании зарядов. Мгновенные схемы взрывания серий зарядов характеризуются усилением сейсмического воздействия.

При многорядном взрывании дробление улучшается, так как заряды последующих рядов работают в менее нарушенном массиве. При многорядном взрывании широко применяют короткозамедленное взрывание (к.з.в.).

Короткозамедленным называется последовательное взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды.

Эффект, получаемый при к.з.в., объясняется следующими факторами: интерференцией волн напряжений от соседних зарядов; образованием дополнительных обнажённых поверхностей; соударением разлетающихся масс кусков при взрыве соседних зарядов.

289

Физическая сущность взаимодействия соседних зарядов при к.з.в. включает в себя все перечисленные факторы, однако их проявление имеет место при разных интервалах замедления: при малых интервалах – интерференция волн, при средних – образование дополнительных обнаженных поверхностей, при больших – соударение кусков.

Интерференция ударных волн происходит при взрыве в том случае, когда направления смещения частиц от предыдущего и последующего взрывов совпали. При этом увеличиваются суммарные смещения, напряжения и разрушение массива. Взрыв последующего заряда должен производиться в момент прохождения через него волны растяжения (рис. 6.10) от взрыва предыдущего. Время замедления при этом можно подсчитать по формуле Г.И. Покровского:

где а – расстояние между зарядами, м; W – сопротивление по подошве, м; υy – скорость распространения волны напряжений, м/с.

Длительность упругих колебаний в массиве породы после взрыва

взоне разрушения не превышает 6 мс, в то время как применяемые на практике интервалы замедлений, обеспечивающие улучшение дробления породы, составляют 20…70 мс. При трещиноватых породах с удалением от заряда амплитуда волн резко снижается, и их роль в дроблении оказывается несущественной.

Использование интерференции волн напряжений для увеличения интенсивности дробления пород требует очень точного подбора интервала (до 0,1 мс), а поскольку скорость волн напряжений, интенсивность трещиноватости меняются от скважины к скважине, использовать этот эффект в реальных условиях ведения взрывных работ весьма затруднительно.

Образование дополнительных обнажённых поверхностей взрывом предыдущей серии обеспечивает формирование в нём отраженных волн растяжения, увеличивающих эффект разрушения, ослабляет массив и облегчает его окончательное разрушение давлением газов.

Сувеличением числа обнаженных поверхностей у взрываемого заряда объём разрушения увеличивается примерно пропорционально их числу (рис. 6.11).

Сучётом увеличения объёма разрыхленной породы и смещения её

всторону открытых поверхностей необходимая ширина пространства для получения открытой поверхности должна быть в пределах

(1/20…1/30) W.

290