Масаев Ю.А., Першин В.В. Технология и безопасность взрывных работ в практических задачах

Подождите немного. Документ загружается.

121

За счет формирования волны отражения при переходе ударной

волны от заряда ВВ в горную породу ее энергия будет уже иная.

Одновременно с формированием отраженной волны в горной

породе возбуждается ударная волна, которая затем переходит в

волну напряжений и упругую волну. Волновую картину удобно

рассмотреть на примере взрыва сосредоточенного заряда в безгра-

ничной среде (рис. 4.1).

В ближней зоне взрыва, на расстоянии примерно (3Î7)R

зар

(а иногда и более), возбуждается мощная ударная волна, распро-

страняющаяся в виде одноактного импульса сжатия. В этой зоне

расходуется около 25 % запаса потенциальной энергии ВВ. Далее,

вследствие необратимых потерь, энергия ударной волны быстро

убывает и на некотором расстоянии трансформируется в волну

напряжений со знакопеременными значениями, порода при этом

испытывает растягивающие и сжимающие напряжения. Величина

этих напряжений может быть определена из выражения









где σ – напряжение на фронте волны; ρ – массовая плотность

горной породы; с – скорость звуковой волны;

– массовая ско-

рость частиц породы.

Знак šплюсŸ соответствует сжимающим, а знак šминусŸ –

растягивающим напряжениям.

122

В данном случае волна напряжений представлена неупру-

гими возмущениями горной породы со сравнительно плавным

изменением ее параметров. Волны напряжений распространяются

примерно на расстояние (120Î150)R

зар

. С удалением от центра

взрыва волны напряжений теряют свою интенсивность и на рас-

стоянии более 150R

зар

перерождаются в сейсмические волны.

Сейсмическая волна представляет собой упругое возмущение

горной породы без изменения ее параметров. На эти волны за-

трачивается всего лишь около 1 % запаса потенциальной энер-

гии ВВ.

Рис. 4.1. Схема волновых явлений в горной породе

после взрыва заряда ВВ

123

Схема формирования зон разрушения вокруг заряда при-

ведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схема формирования зон разрушения при взрыве

сосредоточенного заряда ВВ в горном массиве

Проходящие по горной породе волны вызывают изменение

ее состояния. В непосредственной близости от заряда ВВ, в зо-

не действия ударной волны, порода находится в условиях все-

стороннего сжатия. Действующее максимальное давление при-

водит ее в пластическое состояние, стенки зарядной полости

расширяются. Граничная с пластическими деформациями часть

124

породы очень сильно переизмельчается и сжимается. Эта зона

носит название зоны вытеснения и пластических деформаций.

Степень уплотнения породы зависит от ее сжимаемости, кото-

рая характеризуется отношением плотности породы после взры-

ва к плотности породы до взрыва. В практических условиях

этот показатель достигает 1,5Î1,7.

В пределах зоны I на каждый элементарный объем породы

действуют положительные радиальные и тангенциальные на-

пряжения.

В зоне II ударная волна трансформируется в волну напря-

жений, интенсивность ее снижается, тангенциальные напряже-

ния резко уменьшаются и меняют знак, т.е. сжатие переходит в

растяжение.

На каждый элементарный объем породы действуют

сжимающие G

и растягивающие σ

компоненты тензора на-

пряжений. Поскольку предел прочности горных пород при рас-

тяжении значительно меньше, чем при сжатии, то элементар-

ный объем породы будет разрушаться под действием растяги-

вающих напряжений.

Начиная от границ зоны II, в радиальном направлении от

заряда в массив образуется густая сеть трещин. Помимо ради-

альных трещин в этой зоне образуются и концентрические тре-

щины вследствие обратного движения массива в волне разреже-

ния, движущейся вслед за прямой волной сжатия. Зона II носит

название зоны трещинообразования.

125

За пределами зоны II интенсивность волн напряжения зна-

чительно уменьшается и не превышает пределов прочности по-

роды разрушающим нагрузкам. Поэтому горная порода не раз-

рушается, а подвергается лишь упругим деформациям.

Зона III носит название зоны сотрясения или сейсмических

колебаний.

Если заряд ВВ расположить вблизи обнаженной поверхно-

сти (прямая MN), то на элементарный объем, примыкающий к

ней, будут действовать лишь растягивающие напряжения и

сжимающие со стороны заряда ВВ. Сжимающие напряжения со

стороны поверхности обнажения отсутствуют, и порода имеет

возможность смещаться в сторону обнаженной поверхности.

Поэтому порода в этой части как бы выгибается и растягивает-

ся. За счет такого действия напряжений в элементарном объеме

образуются радиальные трещины со стороны заряда ВВ и со

стороны обнаженной поверхности. Одновременно волна напря-

жений, отражаясь от этой поверхности, формирует отраженную

волну, под действием которой в горной породе возникают тре-

щины отрыва, развивающиеся по концентрическим линиям в

направлении от обнаженной поверхности к заряду.

В общем случае после взрыва заряда ВВ вблизи обна-

женной поверхности образуется система трещин, представлен-

ная на рис. 4.3.

126

Рис. 4.3. Формирование воронки выброса при взрыве заряда ВВ

вблизи обнаженной поверхности:

1 – радиальные трещины от действия прямой волны. Развива-

ются от заряда вглубь массива; 2 – радиальные трещины у по-

верхности обнажения от действия прямой волны напряжений.

Развиваются от обнаженной поверхности к заряду ВВ; 3 – кон-

центрические трещины, вызванные обратным движением упру-

гого массива после прохождения волны сжатия. Развиваются от

зарядной полости вглубь массива (и к обнаженной поверхно-

сти); 4 – концентрические трещины, вызванные прохождением

отраженной волны от поверхности обнажения к заряду ВВ

В образующиеся трещины устремляются газообразные про-

дукты взрыва, расширяют и удлиняют их. Некоторые трещины

соединяются, и формируется воронка выброса. Насыщенный га-

зами разрушенный массив после накопления определенного за-

паса кинетической энергии приходит в движение и выбрасывает-

127

ся за пределы воронки выброса. Формы воронок выброса пред-

ставлены на рис. 4.4.

Образующаяся воронка характеризуется следующими па-

раметрами: W – линия наименьшего сопротивления (ЛНС) –

кратчайшее расстояние от центра заряда ВВ до ближайшей по-

верхности обнажения; r – радиус воронки выброса; R – радиус

действия взрыва; α – угол раствора воронки выброса.

Отношение n

 называют показателем действия взрыва.

От его величины зависит результат взрыва и форма воронки вы-

броса. При n = 1 получают воронку нормального выброса. Радиус

такой воронки равен глубине заложения заряда ВВ (ЛНС), а угол

раствора воронки равен 90Ç. После взрыва почти вся порода вы-

брасывается за пределы воронки и лишь небольшая часть ее оста-

ется в воронке (рис. 4.4, а). При n > 1 получают воронку усиленно-

го выброса. Радиус воронки выброса значительно больше глубины

заложения заряда ВВ, порода полностью выбрасывается за преде-

лы воронки (рис. 4.4, в). Если n < 1, то после взрыва образуется

воронка уменьшенного выброса (рис. 4.4, б), радиус воронки

меньше глубины заложения заряда ВВ, после взрыва большая

часть породы остается в воронке и лишь небольшая часть ее вы-

брасывается за пределы воронки. При n < 0,7 вся горная порода

остается разрыхленной в пределах воронки. Такая воронка клас-

сифицируется как воронка рыхления (рис. 4.4, г).

128

На конечные результаты взрыва оказывает решающее

влияние доля участия в разрушении горных пород волн напря-

жений и взрывных газов. Их соотношение зависит от физико-

механических свойств горных пород.

В настоящее время общепризнанной является классифи-

кация горных пород проф. А. Н. Ханукаева по характеру проте-

кания процесса разрушения в зависимости от их акустической

жесткости. В этой классификации все горные породы разбиты на

три группы.

1 группа – грунтовые массивы (пески, супеси, глины, суг-

линки), акустическая жесткость которых не превышает

5¸10

г/см¸c

. Разрушение их происходит за счет энергии ударной

волны в ближней зоне от заряда и давления газообразных про-

дуктов взрыва. Начинается разрушение от центра взрыва.

Влияние обнаженной поверхности на формирование трещин от

падающей и отраженной волны незначительно.

2 группа – породы, имеющие коэффициент крепости по

шкале проф. М. М. Протодьяконова f = 1Î10 и акустическую же-

сткость от 5 до 15¸10

г/см¸с

. Породы этой группы разрушаются

под действием волн напряжения и расширяющихся газов взрыва.

3 группа – породы крупноблочной структуры с акустической

жесткостью более 15¸10

г/см¸с

. Разрушение их происходит в ос-

новном под действием ударной волны и волны напряжений. Газо-

образные продукты взрыва почти не участвуют в разрушении, а

лишь отбрасывают разрушенную породу.

129

Рис. 4.4. Схема воронок выброса при различных параметрах

В практике горного дела взрывы одиночных зарядов применя-

ются довольно редко. Наиболее распространено групповое взрыва-

ние зарядов по мгновенной, замедленной или короткозамедленной

схеме. Для выбора схем расположения зарядов и их взрывания не-

обходимо знать особенности взаимодействия зарядов, взрываемых

одновременно и поочередно с различными интервалами замедления.

При мгновенном взрывании (рис. 4.5) двух зарядов

Q и

до момента встречи волн сжатия и растяжения в точке А по линии

зарядов среда вокруг каждого заряда ведет себя так, как будто

произошел взрыв одиночного заряда. После встречи волн напряже-

130

ний от взорвавшихся зарядов напряженное состояние среды суще-

ственно изменяется. При встрече волн в точке А элемент испыты-

вает увеличенные по сравнению с действием одиночного заряда

радиальные сжимающие и тангенциальные растягивающие напря-

жения. Это способствует возникновению по линии зарядов в точ-

ке встречи волн радиальных трещин, распространяющихся от точ-

ки встречи волн к зарядам, что обусловливает появление сквозной

трещины по линии зарядов без интенсивного дробления породы

отдельной части массива.

Рис. 4.5. Схема взаимодействия смежных зарядов ВВ

при мгновенном взрывании

Особый интерес при мгновенном взрывании представляет зо-

на пересечения линий, проведенных под углом 45Ç к линии заря-

дов. В этой зоне на выделенный элемент породы (точка В) дейст-