lukyanov-взрывные работы

С учётом пробега волны напряжений от зарядов до поверхности и обратно, образования трещины до поверхности и раскрытия щели оптимальное время замедления определяется следующим выражением:

где υр – скорость звука в среде, м/с; υтр – скорость трещинообразования, обычно не превышает vр (0,3…0,4); υщ ≤ 3…10 м/с – скорость раскрытия щели, м/с; δ – ширина щели, м.

Соударение кусков разрушенной взрывом породы обусловлено разными скоростями и направлениями их разлета. Столкновение обеспечивает дополнительное дробление при разности скоростей кусков более 15 м/с, особенно эффективное при пересечении направлений разлёта под углом не менее 90°. Передний фронт разлетающихся при взрыве продуктов, испытывающий сопротивление только воздуха, перемещается со скоростью 15…40 м/с. Задний же фронт, испытывающий сопротивление впереди летящей массы, отстаёт и перемещается со скоростью порядка 3 м/с. Если взрыв следующих зарядов провести в момент образования открытой поверхности, то передний фронт взорванной горной массы этой серии догонит задний фронт горной массы предыдущей серии. Разница скоростей составляет 12…37 м/с. С увеличением ширины щели этот эффект уменьшается. Следовательно, для более полного использования фактора соударения необходимо определять соответствующие интервалы и схемы взрывания.

291

Профессором Н.Г. Петровым установлена зависимость оптимального интервала замедления (мс) от л.н.с. (W) акустической жесткости (γυр) пород

В практике для определения интервала замедления (мс) в зависимости от л.н.с. наиболее широко применяется формула Лангефорса

где k – эмпирический коэффициент.

На основе опытных данных эмпирический коэффициент k может принимать следующие значения: 3 – для весьма крепких пород типа перидотитов, гранитов; 4 – для крепких пород типа песчаников, железистых кварцитов; 5 – для пород средней крепости типа известняков, серпентинита, магнезита; 6 – для слабых и мягких пород типа мергелей, мелов, глинистых сланцев и угля.

Зависимость эффективности дробления dср от интервала замедления t показана на рис. 6.12.

При замедлении τ ≤T , где Т – период колебаний массива при взрыве, может происходить интерференция волн напряжений. При удачном сочетании фаз колебаний суммарное напряжение может возрасти. Степень дробления при этом может улучшиться на 5…7 %.

Интервал замедления от τ1 до τ2 характеризуется неинтенсивным увеличением степени дробления пород. Здесь наблюдаются случайное сложение волн напряжений и небольшое влияние вновь образующихся свободных поверхностей.

dср

t

Рис. 6.12. Зависимость интенсивности дробления от интервала замедления

292

Интервал времени замедления τопт, попадающий в отрезок от τ2 до τ4, будет оптимальным по степени дробления. Здесь интенсивность дробления резко увеличивается. В этом случае проявляется эффект соударения кусков, а образовавшаяся свободная поверхность способствует отрыву следующих участков взрываемого массива и отражает волны напряжений. Благоприятным фактором является и давление газов от предыдущего взрыва в трещинах.

Интервал замедления τ∞, больший τ4, характерен тем, что действие газов и соударение породы уменьшаются и действие взрыва приближается к суммарному действию одиночных зарядов.

Разновидностью к.з.в. является взрывание с внутрискважинными миллисекундными замедлениями отдельных частей зарядов в скважинах. При этом заряд в скважине разделяется на две-три части и более, и каждая часть инициируется отдельно своим боевиком так, что между частями заряда создаются интервалы замедления (10…20 мс). Таким приемом удается увеличить число очередей взрываемых зарядов и удлинить время воздействия взрыва на массив, в результате чего достигаются лучшие результаты взрыва по дроблению и сейсмике.

Контрольные вопросы

1.Каковы особенности напряженного состояния горных пород при одновременном взрывании смежных зарядов?

2.Назовите основные пути уменьшения зон пониженных напряжений при одновременном взрывании смежных зарядов.

3.Как расстояние между смежными одновременно взрываемыми зарядами влияет на характер разрушения горных пород?

4.Какое взрывание называют короткозамедленным?

5.Какие факторы определяют эффективность дробления горных пород при короткозамедленном взрывании?

6.В каких случаях происходит интерференция ударных волн?

7.Какой фактор является определяющим для эффективности короткозамедленного взрывания?

6.5.Действие взрыва в условиях бокового зажима

Вгеологоразведке используются преимущественно линейные цилиндрические заряды, прежде всего шпуровые.

При проведении подземных горных выработок шпуровые заряды работают на свободную поверхность, представляющую собой врубовую полость с ограниченными поперечными размерами, т. е. заряды работают в условиях бокового зажима. Коэффициентом зажима называется

293

отношение линии наименьшего сопротивления к максимальному поперечному размеру полости, на которую производится отбойка.

Та часть заряда, ударная волна от действия которой распространяется в направлении свободной поверхности и участвует в работе разрушения в этом направлении, называется активной. В остальных направлениях энергия взрыва преимущественно рассеивается. В дальнейшем, когда произойдет смещение породы в пределах контура воронки выброса, все газы из шпура устремятся в образовавшийся проём, ускоряя смещение призмы разрушения.

Активная часть заряда ВВ в отдельных шпурах колеблется от 4 до 36 %, в среднем составляя 22 %. При малых углах раствора воронки выброса преобладающими условиями при разрушении породы являются срезывающие усилия τр, при больших углах – разрывающие усилия σр. Поскольку сопротивление горных пород срезывающим усилиям больше, чем разрывающим, то для достижения одинаковых результатов взрыва количество энергии заряда ВВ при меньших углах раствора воронки и равном значении л.н.с. (больших коэффициентах зажима) должно быть больше. Поэтому эффективность отбойки зависит в основном от качества вруба; увеличение массы и числа зарядов в отбойных шпурах практически не влияет на величину подвигания забоя горной выработки.

В связи с этим правильный выбор конструкции вруба является основной задачей БВР при проведении подземных горных выработок.

Контрольные вопросы

1.Что называется коэффициентом зажима?

2.Каковы особенности действия заряда при взрывании на врубовую полость?

3.От чего в основном зависит эффективность взрывания шпуровых зарядов при проведении подземных горных выработок?

6.6. Методы регулирования действия взрыва зарядов ВВ на горную породу

Качество дробления горной массы влияет на все последующие технологические процессы горного производства вплоть до дробильносортировочных фабрик.

Возможна степень дробления пород, при которой суммарные затраты на единицу продукции по всем технологическим процессам минимальны, т. е.

ΣC =Cmin.

294

Степень дробления можно улучшить изменением расчётного расхода ВВ, линии наименьшего сопротивления, вида ВВ, конструкции зарядов, схем взрывания, конструкции забойки и т. д.

Все методы регулирования степени дробления можно разделить в зависимости от диапазона их влияния на два класса (табл. 6.1).

Параметры класса I – диаметр заряда, величина сопротивления по подошве (с.п.п.), расстояние между зарядами, длина и масса заряда – взаимосвязаны между собой через расчётный удельный расход ВВ. Основными из них являются расчётный удельный расход ВВ и диаметр заряда, остальные параметры производные и зависят от величины расхода ВВ. Изменение одного из параметров влечёт за собой изменение остальных, которые могут повлиять на результат взрыва.

Изменяя параметры класса I, можно достигать желаемого дробления пород любой категории. Возможности регулирования дробления параметрами класса II чаще находятся в пределах точности опыта (10…15 %), поэтому их количественная оценка на современном этапе развития науки о взрыве затруднительна.

Рассмотрим физическую сущность регулирования дробления горных пород каждым параметром.

Таблица 6.1

Влияние основных параметров взрывания на регулирование степени дробления

Vн.м* – процент содержания крупных (негабаритных) отдельностей в массиве.

При увеличении удельного расхода ВВ степень дробления массива сначала увеличивается, а затем энергия взрыва в основном расходуется на придание большой скорости взрываемой массе. Следовательно, дальнейшее увеличение становится нецелесообразным.

Рассмотрим зависимость (рис. 6.13) выхода крупных кусков (негабарита) от удельного расхода ВВ. На оси ординат отмечен отрезок Vнд, соответствующий зоне нерегулируемого дробления. При массовом

295

взрыве с удельным фактическим расходом выход негабарита, равный Vф, можно определить одним из указанных выше методов. Взрыв проводится в массиве с известной блочностью и содержанием отдельностей Ve, равных по размеру негабаритным кускам. Соединив точки О, Vе и qф, Vф, получим прямую, пересекающую ось абсцисс в точке qр, О. Это расчетный расход ВВ, условно обеспечивающий для данной функции нулевой выход негабарита. Фактически при q > q1, где q1 соответствует точке q1 Vн.д, увеличение удельного расхода ВВ не улучшает дробления из-за наличия зоны нерегулируемого дробления.

С увеличением диаметра заряда процент выхода крупных фракций увеличивается. Для горных пород установлена линейная зависимость между линией наименьшего сопротивления и диаметром заряда, т. е. с увеличением диаметра заряда должна быть увеличена линия наименьшего сопротивления, а следовательно, больший процент отдельностей, слагающих массив, попадает в зону нерегулируемого дробления. При малых диаметрах зарядов уменьшаются заколы в глубь массива и уменьшается относительный объем переизмельчения породы вокруг заряда.

Рис. 6.13. График зависимости выхода крупных кусков от удельного расхода ВВ

Технико-экономическими расчетами определено, что в породах I–II категорий трещиноватости диаметр заряда необходимо принимать большим. Так, для карьеров диаметр заряда равен 300…350 мм, для подземных рудников – 150…190 мм. В породах категорий III–IV применяют диаметр зарядов 80…100 мм для рудников и 200…250 мм для карьеров. В крупноблочных породах категории V следует принимать диаметр заряда 60…80 мм для подземныхрудникови100…150 ммдлякарьеров.

С увеличением коэффициента сближения зарядов, равного отношению расстояния между зарядами а к линии наименьшего сопротив-

296

ления W, от 0,6 до 1 при средних удельных расходах ВВ дробление пород улучшается из-за более полного заполнения скважины ВВ и уменьшения длины забойки. При однорядном взрывании применяют т = 0,8…1,0. При диагональной схеме коммутации зарядов т можно увеличить до 4. При диагональной схеме взрывания а – расстояние между зарядами в диагональном ряду, W – расстояние между взрываемыми диагональными рядами.

При увеличении коэффициента крепости пород f с 6 до 16–18 затраты на бурение растут значительно быстрее, чем затраты на взрывание. При этом в породах ниже средней крепости взрывные работы составляют 70 % общих расходов на отбойку, а в крепких преобладает стоимость буровых работ. Поэтому в породах ниже средней крепости (f ≤7) основное внимание целесообразно уделять снижению расходов на взрывание (применение дешёвых ВВ, некоторое снижение расходов ВВ). В крепких породах (f >14) основное внимание надо уделять снижению стоимости буровых работ. В породах с f = 7…14 относительные затраты на бурение и взрывание примерно одинаковы.

Замена в крепких породах дешевых ВВ на более мощные, но более дорогие может быть вполне оправдана, если в результате этого возможно большее снижение стоимости обуривания массива. При таком подходе стоимость отбойки будет снижаться наиболее интенсивно при сохранении хорошего качества взрыва.

Устья шпуров и скважин, оставшиеся свободными после размещения зарядов, заполняют, как правило, забоечным материалом. Забойка уменьшает потери энергии в процессе детонации заряда и обеспечивает более полное протекание реакции взрыва, уменьшая количество выделяемых при взрыве ядовитых газов; увеличивает длину эффективной части ударной волны, обеспечивая более интенсивное дробление породы; увеличивает длительность воздействия газов на стенки зарядной камеры и продолжительность вылета газов в атмосферу, снижая опасность воспламенения метановоздушной смеси в шахтах, опасных по газу или пыли, а также резко уменьшает силу воздушной ударной волны.

Длина забойки принимается равной 1,25 W в мелкоблочных; 1,0 W – в среднеблочных и от 0,75 W до 0,5 W – в крупноблочных породах.

Водяная забойка в виде ампул в полиэтиленовой оболочке вместо глиняной увеличивает коэффициент использования шпуров (к.и.ш.) на подземных работах с 0,8 до 1 и снижает существенно запылённость атмосферы выработки после взрыва.

Применение запирающих зарядов в забойке позволяет значительно уменьшить её длину. Запирающие заряды размещают в забойке и

297

взрывают одновременно с основным зарядом. При взрыве в устье скважины создаётся давление, которое препятствует вылету газов взрыва.

Если расчётная масса заряда не обеспечивает заполнение скважины на длину, обеспечивающую минимальную требуемую длину забойки, то заряд рассредоточивают по длине скважины или шпура.

Удлинённые заряды можно разделить на сплошные, комбинированные и рассредоточенные. Взрывы сплошных зарядов характеризуются недостаточной эффективностью дробления пород на уровне забойки.

Комбинированные заряды образуются из участков разных типов ВВ. Более сильные ВВ располагают в наиболее трудновзрываемых участках (донных частях шпуров и скважин, на пересечениях с трудновзрываемыми включениями).

В скважинах на карьерах целесообразно в обводненной ее части применятьводоустойчивоеВВ, а востальной– неводоустойчивоеВВ.

Рассредоточение заряда способствует улучшению дробления благодаря увеличению зоны регулируемого дробления. Рассредоточение скважинных зарядов воздушными промежутками (рис. 6.14) улучшает дробление. Воздушные промежутки изменяют характер действия взрыва и ограничивают переизмельчение породы вблизи заряда. В результате энергия, идущая на переизмельчение, уменьшается и большая её доля используется на дробление в дальней зоне. Длина воздушных промежутков не должна превышать для слабых пород 0,3…0,4 длины заряда, средней крепости – 0,2…0,3 и крепких – 0,15…0,2.

Рис. 6.14. Рассредоточение скважинных зарядов воздушными промежутками на две (а) и три (б) части

Место инициирования зарядов определяет направление детонации заряда ВВ. Различают прямое (от устья шпура, скважины), обратное (от дна шпура, скважины) и многоточечное инициирование. Если скважинный заряд инициировать снизу, то проработка подошвы уступа и степень дробления улучшаются. При инициировании снизу время действия взрыва на массив увеличивается. Обратное инициирование (от дна шпу-

298

ра, скважины) целесообразно применять при отношении W/υр > 1,6, а прямое (от устья шпура, скважины) при W/υр ≤ 1,6, где υр – скорость продольных волн, км/с; W – л.н.с., м.

Многоточечное инициирование характеризуется тем, что заряд инициируют одновременно в нескольких местах. При этом происходит встречное соударение детонационных волн, резко увеличивается давление в этом месте и, как следствие, улучшается дробление породы в целом. Такое инициирование можно применять при наличии специального маломощного ДШ (с небольшой навеской тэна на 1 м шнура).

Рис. 6.15. Взрывание рассредоточенного заряда с внутрискважинным замедлением: 1 – детонаторы; 2 – предохранительная трубка; 3 – КЗДШ; 4 – ВВ

Для осуществления внутрискважиппого замедления заряд в скважине разделяют на несколько частей, взрываемых с замедлением (рис. 6.15). Общее время действия взрыва на массив увеличивается, и дробление улучшается. Инициирование может быть снизу или сверху. Инициирование выполняется детонирующим шнуром таким образом, чтобы от него не взрывалась часть заряда, через которую он проходит. Эффективной является схема замедлений снизу. Для обеспечения большей безопасности целесооб- разнопатрон-боевикрасполагатьвышеподошвыуступа.

Контрольные вопросы

1.Какие методы регулирования степени дробления пород взрывом Вы знаете?

2.На какие классы делятся методы регулирования степени дробления?

3.Как влияет на эффективность дробления удельный расход ВВ?

4.Почему выход крупных фракций увеличивается с ростом диаметра заряда?

5.Какие коэффициенты сближения зарядов оптимальны по качеству дробления?

6.Какая длина забойки рекомендуется для пород различной крепости?

7.Какие преимущества присущи рассредоточенным зарядам ВВ?

299

6.7. Кумулятивное действие зарядов ВВ

Взрывы, действие которых одинаково во всех направлениях, называются взрывами общего действия. Они эффективны, если нужно выполнить равноценное во все стороны разрушение.

Заряды, обладающие повышенной разрушающей способностью в заданном направлении, называются зарядами направленного действия. Максимальной направленности достигают зарядами с кумулятивными выемками.

При взрыве заряда с кумулятивной выемкой (рис. 6.16) продукты детонации разлетаются вначале перпендикулярно к поверхности кумулятивной выемки, а затем сталкиваются, уплотняются и приобретают большую скорость в направлении оси выемки. Этот поток называется кумулятивной струей. Скорость движения продуктов взрыва в нем значительно выше скорости детонации и достигает 10 000 м/с.

Рис. 6.16. Сравнительные схемы устройства и действия зарядов ВВ (стрелками показано направление движения продуктов взрыва):

а– с плоским торцом без выемки; б – с необлицованной кумулятивной выемкой;

в– с облицованной кумулятивной выемкой; I, II, III – области заряда, на границах которых скорость движения продуктов взрыва равна нулю

Место струи, в котором плотность, скорость и давление имеют максимальные значения, а диаметр становится минимальным, называется фокусом, а расстояние от фокуса до торца заряда – фокусным расстоянием кумулятивной струи.

При значительном давлении и скорости в струе концентрируется громадная энергия. Струя легко внедряется в любые материалы, разрушая их непосредственным пробиванием и создавая в них ударные вол-

300