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

Подождите немного. Документ загружается.

291

С учётом пробега волны напряжений от зарядов до поверхности и

обратно, образования трещины до поверхности и раскрытия щели опти-

мальное время замедления определяется следующим выражением:

опт

тр щ

2 δ

υυυ

=++

, (6.15)

где υ

– скорость звука в среде, м/с; υ

тр

– скорость трещинообразования,

обычно не превышает v

(0,3…0,4); υ

≤

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 обес-

печивает дополнительное дробление при разности скоростей кусков бо-

лее 15 м/с, особенно эффективное при пересечении направлений разлёта

под углом не менее 90°. Передний фронт разлетающихся при взрыве

продуктов, испытывающий сопротивление только воздуха, перемещает-

ся со скоростью 15…40 м/с. Задний же фронт, испытывающий сопро-

тивление впереди летящей массы, отстаёт и перемещается со скоростью

порядка 3 м/с. Если взрыв следующих зарядов провести в момент обра-

зования открытой поверхности, то передний фронт взорванной горной

массы этой серии догонит задний фронт горной массы предыдущей се-

рии. Разница скоростей составляет 12…37 м/с. С увеличением ширины

щели этот эффект уменьшается. Следовательно, для более полного ис-

пользования фактора соударения необходимо определять соответст-

вующие интервалы и схемы взрывания.

Рис. 6.10. Волновое

взаимодействие зарядов

и Q

при к.з.в.

Рис. 6.11. Схема к определению

влияния числа открытых

поверхностей на объём разрушения:

а, б, в – одна, две и три открытые

поверхности

292

Профессором Н.Г. Петровым установлена зависимость оптималь-

ного интервала замедления (мс) от л.н.с. (W) акустической жесткости

(γυ

) пород

опт p

31,5

τ 6 γυ 9,6

γυ

W=−+

. (6.16)

В практике для определения интервала замедления (мс) в зависи-

мости от л.н.с. наиболее широко применяется формула Лангефорса

τ ,kW

(6.17)

где k – эмпирический коэффициент.

На основе опытных данных эмпирический коэффициент k может

принимать следующие значения: 3 – для весьма крепких пород типа пе-

ридотитов, гранитов; 4 – для крепких пород типа песчаников, желези-

стых кварцитов; 5 – для пород средней крепости типа известняков, сер-

пентинита, магнезита; 6 – для слабых и мягких пород типа мергелей,

мелов, глинистых сланцев и угля.

Зависимость эффективности дробления d

ср

от интервала замедле-

ния 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 воз-

расти. Степень дробления при этом может улучшиться на 5…7 %.

Интервал замедления от τ

до τ

характеризуется неинтенсивным

увеличением степени дробления пород. Здесь наблюдаются случайное

сложение волн напряжений и небольшое влияние вновь образующихся

свободных поверхностей.

Рис. 6.12. Зависимость интенсивности дробления

от интервала замедления

ср

∞

293

Интервал времени замедления τ

опт

, попадающий в отрезок от τ

до

, будет оптимальным по степени дробления. Здесь интенсивность

дробления резко увеличивается. В этом случае проявляется эффект со-

ударения кусков, а образовавшаяся свободная поверхность способству-

ет отрыву следующих участков взрываемого массива и отражает волны

напряжений. Благоприятным фактором является и давление газов от

предыдущего взрыва в трещинах.

Интервал замедления τ

∞

, больший τ

, характерен тем, что действие

газов и соударение породы уменьшаются и действие взрыва приближа-

ется к суммарному действию одиночных зарядов.

Разновидностью к.з.в. является взрывание с внутрискважинными

миллисекундными замедлениями отдельных частей зарядов в скважи-

нах. 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 уд-

линить время воздействия взрыва на массив, в результате чего достига-

ются 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 напряже-

ний 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 корот-

козамедленного взрывания?

6.5. Действие взрыва в условиях бокового зажима

В геологоразведке используются преимущественно линейные ци-

линдрические 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 работа-

ют в условиях бокового зажима. Коэффициентом зажима называется

294

отношение линии наименьшего сопротивления к максимальному попе-

речному размеру полости, на которую производится отбойка.

Та часть заряда, ударная волна от действия которой распространя-

ется в направлении свободной поверхности и участвует в работе разру-

шения в этом направлении, называется активной. В остальных направ-

лениях энергия взрыва преимущественно рассеивается. В дальнейшем,

когда произойдет смещение породы в пределах контура воронки выбро-

са, 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 вы-

броса преобладающими условиями при разрушении породы являются

срезывающие усилия τ

, при больших углах – разрывающие усилия σ

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 практиче-

ски не влияет на величину подвигания забоя горной выработки.

В связи с этим правильный выбор конструкции вруба является ос-

новной 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 дробильно-

сортировочных фабрик.

Возможна степень дробления пород, при которой суммарные за-

траты на единицу продукции по всем технологическим процессам ми-

нимальны, т. е.

min

.CC

295

Степень дробления можно улучшить изменением расчётного рас-

хода ВВ, линии наименьшего сопротивления, вида ВВ, конструкции за-

рядов, 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. Ос-

новными из них являются расчётный удельный расход ВВ и диаметр за-

ряда, остальные параметры производные и зависят от величины расхода

ВВ. Изменение одного из параметров влечёт за собой изменение ос-

тальных, которые могут повлиять на результат взрыва.

Изменяя параметры класса I, можно достигать желаемого дробле-

ния пород любой категории. Возможности регулирования дробления пара-

метрами 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 гор-

ных пород каждым параметром.

Таблица 6.1

Влияние основных параметров взрывания на регулирование

степени дробления

Класс Параметры

Примерные пределы

регулирования выхода

негабарита*

Расчётный удельный расход ВВ,

диаметр заряда, размер и сетка рас-

положения зарядов

(1…0,1)V

н.м

Тип ВВ, конструкция зарядов и длина,

число зарядов, высота уступа, после-

довательность взрывания, схема и ин-

тервал замедления, качество забойки,

направление инициирования и т. п.

(0,1…0,01)V

н.м

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

При увеличении удельного расхода ВВ степень дробления масси-

ва сначала увеличивается, а затем энергия взрыва в основном расходу-

ется на придание большой скорости взрываемой массе. Следовательно,

дальнейшее увеличение становится нецелесообразным.

Рассмотрим зависимость (рис. 6.13) выхода крупных кусков (не-

габарита) от удельного расхода ВВ. На оси ординат отмечен отрезок V

нд

соответствующий зоне нерегулируемого дробления. При массовом

296

взрыве с удельным фактическим расходом выход негабарита, равный

, можно определить одним из указанных выше методов. Взрыв про-

водится в массиве с известной блочностью и содержанием отдельностей

, равных по размеру негабаритным кускам. Соединив точки О, V

и q

, получим прямую, пересекающую ось абсцисс в точке q

, О. Это рас-

четный расход ВВ, условно обеспечивающий для данной функции ну-

левой выход негабарита. Фактически при q > q

, где q

соответствует

точке q

н.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 наименьше-

го сопротивления, а следовательно, больший процент отдельностей, сла-

гающих массив, попадает в зону нерегулируемого дробления. При малых

диаметрах зарядов уменьшаются заколы в глубь массива и уменьшается

относительный объем переизмельчения породы вокруг заряда.

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 рудни-

ков – 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 под-

земных рудников и 100…150 мм для карьеров.

С увеличением коэффициента сближения зарядов, равного отно-

шению расстояния между зарядами а к линии наименьшего сопротив-

Рис. 6.13. График зависимости выхода

ру

пных к

сков от

дельного

асхода ВВ

297

ления W, от 0,6 до 1 при средних удельных расходах ВВ дробление по-

род улучшается из-за более полного заполнения скважины ВВ и умень-

шения длины забойки. При однорядном взрывании применяют т =

0,8…1,0. При диагональной схеме коммутации зарядов т можно увели-

чить до 4. При диагональной схеме взрывания а – расстояние между за-

рядами в диагональном ряду, W – расстояние между взрываемыми диа-

гональными рядами.

При увеличении коэффициента крепости пород f с 6 до 16–18 за-

траты 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 бу-

ровых 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 бо-

лее дорогие может быть вполне оправдана, если в результате этого воз-

можно 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 размеще-

ния зарядов, заполняют, как правило, забоечным материалом. Забойка

уменьшает потери энергии в процессе детонации заряда и обеспечивает

более полное протекание реакции взрыва, уменьшая количество выде-

ляемых 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 вос-

пламенения метановоздушной смеси в шахтах, опасных по газу или пы-

ли, 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 ат-

мосферы выработки после взрыва.

Применение запирающих зарядов в забойке позволяет значитель-

но уменьшить её длину. Запирающие заряды размещают в забойке и

298

взрывают одновременно с основным зарядом. При взрыве в устье сква-

жины создаётся давление, которое препятствует вылету газов взрыва.

Если расчётная масса заряда не обеспечивает заполнение скважи-

ны на длину, обеспечивающую минимальную требуемую длину забой-

ки, то заряд рассредоточивают по длине скважины или шпура.

Удлинённые заряды можно разделить на сплошные, комбинирован-

ные 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 уча-

стках (донных частях шпуров и скважин, на пересечениях с трудно-

взрываемыми включениями).

В скважинах на карьерах целесообразно в обводненной ее части при-

менять водоустойчивое ВВ, а в остальной – неводоустойчивое ВВ.

Рассредоточение заряда способствует улучшению дробления бла-

годаря увеличению зоны регулируемого дробления. Рассредоточение

скважинных зарядов воздушными промежутками (рис. 6.14) улучшает

дробление. Воздушные промежутки изменяют характер действия взры-

ва и ограничивают переизмельчение породы вблизи заряда. В результа-

те энергия, идущая на переизмельчение, уменьшается и большая её доля

используется на дробление в дальней зоне. Длина воздушных проме-

жутков 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 скважин-

ный заряд инициировать снизу, то проработка подошвы уступа и сте-

пень дробления улучшаются. При инициировании снизу время действия

взрыва на массив увеличивается. Обратное инициирование (от дна шпу-

299

ра, скважины) целесообразно применять при отношении W/υ

> 1,6, а

прямое (от устья шпура, скважины) при W/υ

≤

1,6, где υ

– 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 давле-

ние в этом месте и, как следствие, улучшается дробление породы в

целом. Такое инициирование можно применять при наличии специаль-

ного маломощного ДШ (с небольшой навеской тэна на 1 м шнура).

Для осуществления внутрискважиппого замедления заряд в скважи-

не разделяют на несколько частей, взрываемых с замедлением (рис. 6.15).

Общее время действия взрыва на массив увеличивается, и дробление улуч-

шается. Инициирование может быть снизу или сверху. Инициирование вы-

полняется детонирующим шнуром таким образом, чтобы от него не взры-

валась часть заряда, через которую он проходит. Эффективной является

схема замедлений снизу. Для обеспечения большей безопасности целесооб-

разно патрон-боевик располагать выше подошвы уступа.

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 диа-

метра заряда?

5. Какие коэффициенты сближения зарядов оптимальны по качест-

ву дробления?

6. Какая длина забойки рекомендуется для пород различной крепости?

7. Какие преимущества присущи рассредоточенным зарядам ВВ?

Рис. 6.15. Взрывание рассредоточенного заряда с внутрискважинным

замедлением:

1 – детонаторы; 2 – предохранительная трубка; 3 – КЗДШ; 4 – ВВ

300

6.7. Кумулятивное действие зарядов ВВ

Взрывы, действие которых одинаково во всех направлениях, на-

зываются взрывами общего действия. Они эффективны, если нужно

выполнить равноценное во все стороны разрушение.

Заряды, обладающие повышенной разрушающей способностью

в заданном направлении, называются зарядами направленного дейст-

вия. Максимальной направленности достигают зарядами с кумулятив-

ными выемками.

При взрыве заряда с кумулятивной выемкой (рис. 6.16) продук-

ты детонации разлетаются вначале перпендикулярно к поверхности

кумулятивной выемки, а затем сталкиваются, уплотняются и приобре-

тают большую скорость в направлении оси выемки. Этот поток называ-

ется 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, называет-

ся фокусом, а расстояние от фокуса до торца заряда – фокусным рас-

стоянием кумулятивной струи.

При значительном давлении и скорости в струе концентрируется

громадная энергия. Струя легко внедряется в любые материалы, разру-

шая их непосредственным пробиванием и создавая в них ударные вол-