Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы

Подождите немного. Документ загружается.

281

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

≤

5·10

г/(см

·с);

• массивы средней прочности с акустической жесткостью

λ = (5…15)·10

г/(см

·с);

• крепкие с акустической жесткостью λ > 15·10

г/(см

·с). Акустической

жёсткостью (волновым сопротивлением) называется произведение

плотности горной породы на скорость продольных волн (ρС

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 вы-

зывают радиальные и тангенциальные трещины; газы взрыва – смятие

среды или разрушение её в процессе движения.

Разрушение мёрзлых пород взрывом в основном зависит от тем-

пературы 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 не-

значительно. 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. Последова-

тельность разрушения грунтового массива показана на рис. 6.4 и харак-

теризуется следующим. При взрыве вокруг заряда образуется шаровая

полость, заполненная газами взрыва. В неограниченном массиве дейст-

вие 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 прини-

мать грушевидную форму с большей осью, направленной по линии наи-

282

меньшего сопротивления. Изменение формы полости объясняется раз-

личной 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, оболоч-

ка прорывается в верхней части полости, и дальнейшее движение породы

происходит в результате свободного полёта отдельных частиц. В процес-

се падения породы формируется открытая воронка. У краёв воронки об-

разуется гребень из разрушенной породы. Часть её сползает вниз, прида-

вая воронке угол естественного откоса и уменьшая её объём.

При зарядах усиленного выброса в воронку падает незначительная

часть грунта. При зарядах нормального и уменьшенного выброса види-

мая 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

породы приблизительно составляет

W , масса заряда нормального выброса

НН Н1

QqVqW=≈ , (6.13)

где q

– удельный расход нормального выброса, кг/м

; V – объём разру-

шаемой породы, м

; W

– линия наименьшего сопротивления (расстоя-

ние до свободной поверхности, глубина заложения заряда), м.

283

В основу всех расчётов параметров БВР положен удельный рас-

ход ВВ, численно равный массе заряда, который необходим для разру-

шения единицы объёма (массы) горной породы. Удельный расход ВВ

зависит в основном от физико-механических свойств горных пород.

При описании процесса разрушения скальных монолитных масси-

вов взрывом учитывается, что скорость детонации ВВ значительно вы-

ше скорости распространения волн напряжений в породе. Поэтому по-

верхность 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 вол-

новых процессов и 12…25 % – под действием расширяющихся продук-

тов детонации.

Область распространения ударной волны ограничена объёмом,

радиус которого составляет 3–7 радиусов заряда.

В этом объёме порода быстро сжимается и смещается вслед за

фронтом волны деформации.

Напряжение на фронте волны превышает модуль объёмного сжа-

тия среды, а сами нормальные напряжения соосны, благодаря чему по-

рода вблизи заряда раздавливается и переходит в текучее состояние, об-

разуя зону пластических деформаций с системой многочисленных пере-

секающихся 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 под-

чиняется примерно кубической зависимости.

По мере удаления от эпицентра передний фронт ударной волны

выполаживается, и она переходит в волну сжатия, вызывающую неуп-

ругое возмущение среды. Параметры вещества на фронте волны сжатия

меняются достаточно плавно. Скорость распространения возмущения

равна скорости звука в данной среде, а время изменения состояния ве-

щества всегда меньше времени возвращения его в состояние покоя. За-

тухание напряжений в этой зоне с расстоянием подчиняется квадратич-

ной зависимости. Среда ведёт себя неупруго с возникновением остаточ-

ных деформаций, ведущих к нарушению сплошности строения среды.

Под действием прямой волны напряжений, распространяющейся от за-

ряда, в среде в радиальном направлении возникают сжимающие напря-

жения, а в тангенциальных – растягивающие, которые и обеспечивают

появление радиальных трещин. Кроме того, под действием высокого

давления порода деформируется, и радиусы условно выделенных вокруг

284

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 появля-

ются 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 растяги-

вающие 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, вызы-

вающую упругое возмущение среды. Параметры состояния вещества на

фронте практически не меняются. Скорость распространения сейсмиче-

ской волны равна скорости звука в данной среде, а время возвращения

вещества в состояние покоя равно времени его выведения из этого со-

стояния. Область распространения сейсмической волны определяется

общей массой заряда. Предельные размеры сейсмически безопасных зон

были рассмотрены в предыдущей главе. Затухание напряжений в сейс-

мической волне с расстоянием от заряда происходит по линейной зави-

симости. В сейсмическую волну трансформируется около 1 % потенци-

альной энергии ВВ.

285

Для решения задач дробления горных пород взрывом представ-

ляют 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 об-

разом, начинает распространяться отраженная волна растяжения, напря-

жения в которой по знаку противоположны напряжениям прямой волны.

Волна растяжения представляет отраженную от обнажённой по-

верхности волну сжатия и распространяется так, как если бы она была об-

разована от взрыва минного заряда, величина которого одинакова с дейст-

вительно взорвавшимся зарядом, который расположен снаружи на рас-

стоянии 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 обнажен-

ной поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с

образованием трещин и откольной воронки.

При достаточной массе заряда (его энергии) разрушения, распро-

страняющиеся вглубь массива от поверхности, смыкаются с разруше-

ниями, происшедшими вокруг заряда, что приводит к разрушению всего

объёма породы внутри воронки.

Общее напряженное состояние, возникающее при взрыве одиноч-

ного заряда и вблизи свободной поверхности, показано на рис. 6.7, где

и σ

– соответственно нормальные и касательные напряжения.

286

Трещиноватые скальные массивы разрушаются как под воздейст-

вием газов взрыва, так и под действием волны напряжений, а разруше-

ния 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, ко-

торые препятствуют распространению волн напряжений и разрушений

за пределами зоны, ограниченной этими трещинами. У плоскости каж-

дой трещины происходит скачкообразное падение напряжений σ волны

вследствие ее частичного отражения от трещины (рис. 6.8). За счёт это-

го 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 поро-

ды с остальным разрушаемым объёмом. Поэтому в трещиноватом мас-

сиве породы под действием прямых и отраженных волн создается не-

сколько 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.

287

Рис. 6.8. Характер затухания энергии взрыва в монолитном (1)

и трещиноватом (2) массиве

В трещиноватом массиве выделяются характерные зоны дробления.

Рядом с зарядом порода разрушается на значительное число кусков от

действия волн напряжений и давления газов взрыва. Эта зона называет-

ся зоной регулируемого дробления. Отдельности, слагающие остальной

объём массива, разрушаются от динамического воздействия зоны регу-

лируемого дробления. Разрушение отдельностей здесь носит вероятно-

стный характер. Отдельности разрушаются, если в них имеются ослаб-

ления. Эта зона называется зоной малорегулируемого дробления. За ней

следует зона, где массив разваливается на отдельности, – зона нерегу-

лируемого дробления. Для получения необходимых результатов дроб-

ления необходимо увеличить зону регулируемого дробления, умень-

шить зону малорегулируемого и исключить зону нерегулируемого

дробления.

Контрольные вопросы

1. На какие типы делятся породы по характеру сил разрушения и их

роли в процессе разрушения?

2. Что называется акустической жёсткостью пород?

3. Какова последовательность разрушения взрывом грунтовых мас-

сивов?

4. В каких зонах вокруг эпицентра взрыва распространяются удар-

ные и сейсмические волны, а также волны сжатия?

5. Каков характер разрушения скальных пород в зонах прохождения

различных волн напряжения от взрыва заряда?

6. Каковы особенности взрывного разрушения трещиноватых пород?

7. Что называют зоной нерегулируемого дробления?

288

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, располо-

женных 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) од-

ноименные напряжения σ

совпадают по направлению и по знаку. Растя-

гивающие напряжения σ

приводят к разрыву массива по линии располо-

жения заряда без интенсивного дробления, особенно при малом коэффи-

циенте сближения зарядов. С удалением от плоскости расположения заря-

дов одноименные напряжения от действия смежных зарядов не будут сов-

падать, поэтому суммарное напряжение будет уменьшаться. В породе,

расположенной между линией зарядов и открытой поверхностью, в глу-

бине массива (рис. 6.9, б) имеются зоны, где происходит взаимная ком-

пенсация напряжений от соседних зарядов. В этих зонах порода подверга-

ется 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 по-

ниженных напряжений от линии зарядов в область действия отражён-

ной волны или даже за пределы массива породы. Наряду с этим увели-

чение 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

289

Максимальный эффект может быть получен при полной ликвида-

ции 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 пере-

распределения 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 точ-

ное 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 взаи-

модействия смежных зарядов при одновременном взрывании:

• при расстоянии между зарядами, большем трёх радиусов зоны ради-

ального трещинообразования, наблюдается разрушение, как при

действии одиночных зарядов;

• при расстоянии между зарядами, меньшем трёх радиусов зоны ради-

ального трещинообразования, наблюдается взаимодействие двух за-

рядов;

• при расстоянии между зарядами, меньшем 2,8 радиуса зоны ради-

ального 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 дополни-

тельная свободная поверхность, поэтому управление взрывом затрудне-

но. Этот метод взрывания обычно применяют при однорядном взрыва-

нии зарядов. Мгновенные схемы взрывания серий зарядов характеризу-

ются усилением сейсмического воздействия.

При многорядном взрывании дробление улучшается, так как заря-

ды последующих рядов работают в менее нарушенном массиве. При

многорядном взрывании широко применяют короткозамедленное взры-

вание (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 факто-

рами: интерференцией волн напряжений от соседних зарядов; образова-

нием дополнительных обнажённых поверхностей; соударением разле-

тающихся масс кусков при взрыве соседних зарядов.

290

Физическая сущность взаимодействия соседних зарядов при к.з.в.

включает в себя все перечисленные факторы, однако их проявление име-

ет место при разных интервалах замедления: при малых интервалах – ин-

терференция волн, при средних – образование дополнительных обнажен-

ных поверхностей, при больших – соударение кусков.

Интерференция ударных волн происходит при взрыве в том слу-

чае, когда направления смещения частиц от предыдущего и последую-

щего 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:

, (6.14)

где а – расстояние между зарядами, м; W – сопротивление по подошве, м;

– скорость распространения волны напряжений, м/с.

Длительность упругих колебаний в массиве породы после взрыва

в зоне разрушения не превышает 6 мс, в то время как применяемые на

практике интервалы замедлений, обеспечивающие улучшение дробле-

ния породы, составляют 20…70 мс. При трещиноватых породах с уда-

лением от заряда амплитуда волн резко снижается, и их роль в дробле-

нии 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 трещи-

новатости 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.

С увеличением числа обнаженных поверхностей у взрываемого

заряда объём разрушения увеличивается примерно пропорционально их

числу (рис. 6.11).

С учётом увеличения объёма разрыхленной породы и смещения её

в сторону открытых поверхностей необходимая ширина пространства

для получения открытой поверхности должна быть в пределах

(1/20…1/30) W.