УДК 622.235
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЙ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ В МАССИВЕ И РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
, проф. к.т. н., , студентка гр. ГО 063(2)
Под управлением энергией взрыва понимают комплекс мероприятий, проводимых для регулирования дробления и перемещения горной массы, а также снижения сейсмического действия взрыва. Весьма перспективными для повышения эффективности взрыва считаются методы, основанные на изменении к. п.д. взрыва, которые подразделяются на управление первичным и вторичным полем напряжений. Управление энергией взрыва с целью повышения коэффициента полезного действия теснейшим образом связано с изменением параметров волн напряжений. К управлению первичным полем напряжений относятся:
· выбор параметров детонации и начального давления ВВ, соответствующих условиям хрупкого, квазихрупкого или пластического разрушения горных пород;
· применение сферических, удлиненных, плоских или комбинированных систем зарядов;
· выбор оптимальных геометрических параметров расположения зарядов по разрушаемому объему;
· короткозамедленное и замедленное взрывание;
· применение парносближенных зарядов;
К управлению вторичным полем напряжений относятся:
· регулирование параметров отраженных волн напряжений путем изменения граничных условий на внешнем контуре разрушения;
· экранирование энергии волн напряжений;
· щелевое контурное взрывание по границе объема разрушения;
· искусственное запирание скважин взрывом для продления времени действия взрыва.
Определяющими параметрами волны являются напряжение на фронте и время существования ее положительной фазы, складывающееся из времени нарастания напряжения до максимального значения и времени спада напряжения до нуля. Остальные параметры являются функцией двух основных.
На горных предприятиях для изменения времени действия продуктов взрыва и их давления, с целью повышения к. п.д. широко применяют специальные конструкции зарядов с радиальными зазорами и осевыми промежутками и другие мероприятия, к которым относятся: инициирование удлиненных зарядов ВВ в нескольких точках; качественная забойка скважин и шпуров; применение водонаполненных суспензированных ВВ; применение промежуточных боевиков, применение сферических, удлиненных, плоских и комбинированных зарядов.
Инициирование удлиненных зарядов ВВ в нескольких точках, в том числе двухстороннее, рекомендовано при разрушении хрупких сред, требующих для качественного дробления высокой скорости нагружения при минимальном времени нарастания давления. С увеличением числа точек инициирования до 3-4 давление на фронте волны напряжения повышается на 25-40%, а импульс волны в целом увеличивается на 20-70%, при этом удельный расход ВВ снижается на 10-12%.
Направление инициирования зарядов может быть прямым и обратным. При обратном инициировании импульс взрыва увеличивается на 8% вследствие более позднего подхода волны разгрузки. Направление инициирования, скорость детонации ВВ и упругих колебаний в горной породе определяют положение фронта волны сжатия относительно свободной поверхности, например относительно откоса уступа.
Качественная забойка скважин и шпуров обеспечивает надежное запирание продуктов взрыва, увеличивая общее время действия импульса взрыва. Наиболее эффективна забойка с достаточно высокой сжимаемостью, но в то же время достаточно плотная. Иногда для увеличения сопротивления забойки её выбрасыванию взрывом применяют взрывание внутри забойки одного - двух дополнительных зарядов небольшой величины.
Внутренняя забойка при взрывании должна действовать до тех пор, пока давление в зарядной полости не будет снижено в результате выхода продуктов взрыва в атмосферу через образовавшиеся трещины к поверхности откоса. При определенной длине заряда, скорости детонации, скорости продольных волн в массиве, определяющих скорость роста трещин, и расстоянии по подошве уступа забойка необходима, если время трещинообразования в направлении поверхности откоса больше времени снижения давления продуктов взрыва. Забойку необходимо применять, также, для ограничения дальности разлета кусков породы в карьерах, когда это предусмотрено технологией производства работ.
Применение водонаполненных суспензированных ВВ. Окружение заряда ВВ или частиц его жидкостью позволяет повысить начальное давление на границе между продуктами взрыва и горной породой почти в два раза, что значительно увеличивает общий импульс взрыва и его длительность. Это открывает широкие возможности в использовании смесей тротила и воды для разрушения крепких горных пород, на карьерах в породах средней крепости взамен аммиачно-селитренных ВВ.
Применение промежуточных боевиков с высокой скоростью детонации для возбуждения детонации ВВ с пониженной детонационной характеристикой является одним их эффективных средств управления энергией взрыва. Экспериментальными исследованиями {1} установлено, что при инициировании пентолитом (сплав гексогена и тротила) заряды игданита или зерногранулита детонируют со скоростью пентолитов. При инициировании зерногранулитов 79/21 скальным аммонитом №1 скорость детонации зерногранулитов достигла 4,8-5,0 км/с. При этом начальное давление в зарядной камере повышается почти в 2 раза.
Управление первичным полем напряжений. При этом методе в конкретной горной породе формируются волны напряжений с оптимальным сочетанием амплитуды смещения и времени положительной фазы для хрупкого или пластического разрушения.
Применение сферических, удлиненных, плоских и комбинированных зарядов ВВ позволяет изменять параметры первичного поля напряжений в горных породах в соответствии с закономерностями затухания напряжений на фронте волны сжатия.
Одновременное взрывание удлиненных зарядов, сближенных в ряду, но с увеличенным расстоянием между рядами формирует плоскую волну, напряжения, на фронте которой затухают медленнее, чем при взрыве отдельных удлиненных зарядов. В практике взрывных работ применяют комбинированные заряды, удлиненные по форме в целом, но сосредоточенные на отдельных участках. Котловые расширения в нижней части скважины выполняются взрывным способом (простреливание) или станками огневого или термомеханического бурения. В результате взрыва сосредоточенных частей заряда возникает густая сеть начальных трещин, а благодаря общей удлиненной форме его более длительное время сохраняются повышенные напряжения на фронте волны сжатия, что в целом повышает эффективность дробления трудновзрываемых горных пород. Таким образом, управление формой заряда и характером затухания напряжений на фронте волны сжатия позволяет регулировать дробящее действие взрыва.
Выбор оптимальных параметров расположения зарядов в разрушаемом породном массиве основан на закономерностях изменения первичного поля напряжений, формируемого под действием прямой волны сжатия. Влияние л. н.с. и расстояния между зарядами сказывается на дроблении следующим образом. При уменьшении л. н.с. интенсивность дробления повышается благодаря увеличению удельного расхода и энергии ВВ на единицу разрушаемого объема породы и повышению общей напряженности массива. С увеличением расстояний между зарядами при постоянной л. н.с. в первичном поле напряжений формируются области с пониженными растягивающими напряжениями, где дробление монолитной породы не может быть удовлетворительным. Эта область по мере увеличения коэффициента сближения зарядов смещается к свободной поверхности, а по мере его уменьшения – к линии расположения зарядов. Поэтому на практике чаще всего при л. н.с., равной 25-35 диаметре заряда, принимают коэффициент сближения в пределах 1,0-1,2, иногда увеличивая его до 2, при этом учитывают, что с увеличением диаметра заряда увеличиваются напряжения первичного поля, а от длины заряда напряжения не меняются.
При последовательном взрывании зарядов в ряду в результате интерференции волн наблюдается эффект суммирования напряжений в направлении первого заряда. Происходит рост в 2-4 раза напряжений первичного поля в одном направлении, что необходимо принимать во внимание при оценке сейсмической безопасности наземных сооружений и горных выработок при короткозамедленном взрывании.
Парносближенные удлиненные заряды применяют для преодоления завышенных сопротивлений по подошве уступа и обеспечения качественного дробления. В результате одновременного взрывания таких зарядов цилиндрические волны на расстоянии от трех до пяти диаметров заряда, суммируясь, формируют плоский фронт, для которого характерно более медленное затухание напряжений.
Управление вторичным полем напряжений
При этом методе используют эффект управления вторичным полем напряжений при отражении прямых волн сжатия от свободной поверхности и преобразования их в волны растяжения.
Параметры волн напряжений, отраженных от границы раздела двух сред, изменяются в соответствии с законом геометрической акустики и зависят от соотношения их акустических жесткостей. Изменяя величину акустической жесткости, за счет применений ВВ с различным запасом энергии можно управлять энергией отраженной волны, определяющей параметры вторичного поля напряжений.
Экранирование энергии волн напряжений. Сущность метода состоит в том, что предварительным взрыванием скважин по контуру блока создают щель, заполненную разрушенной породой (экран). Взрывание с экранированием позволяет отразить в сторону основного объема разрушения до 25% энергии волны, 67-72% энергии теряется в разрушенной породе щели и лишь 8-10% энергии волн проходит через экран в виде сейсмических колебаний, тем самым обеспечивается мелкое дробление при минимальном перемещении. Скважины в экранирующей щели следует взрывать мгновенно, а основной заряд через 75-100 мс. Взрывание с экраном рекомендуется также для защиты сооружений от сейсмического воздействия.
Щелевое контурное взрывание в отличие от взрывания с экранированием производится на полую щель. В этом случае на границе раздела двух сред (порода - воздух) волны полностью отражаются, не проходя в защищаемую среду. Ширина щели должна превышать возможное смещение пород на контуре, т. е. практически должна быть больше нескольких сантиметров. Щелевое взрывание целесообразно применять при взрывах в непосредственной близи от сооружений. Щель в горной породе может быть образована предварительным взрыванием сближенных зарядов с расстоянием между ними от 6 до 15 диаметров скважин.
Для запирания скважин взрывом на расстоянии 5-6 диаметров от основной скважины пробуривают дополнительную скважину на глубину 1/3 разрушаемого слоя. В нее помещают 15-20% основного заряда ВВ и взрывают ее с опережением 10-15 мс. Разрушенная порода запирает продукты детонации в основной скважине до момента полного разрушения окружающей ее породы. Такой метод взрывания позволяет увеличить продолжительность воздействия взрыва на среду в 6-7 раз, снизить удельный расход ВВ на 30%, повысить к. п.д. взрыва и добиться улучшения дробления.
Рассмотренные конкретные методы управления зависят от характера разрушения горных пород и могут быть осуществлены при проектировании взрывных работ и в процессе взрывания путем изменения параметров первичного и вторичного поля напряжения.
Список литературы:
1. , Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах.-М.:Недра,1976.270с
2. Кутузов ведения взрывных работ. часть 1. Разрушение горных пород взрывом.-М.: Изд. «Горна книга»,2007.470с.
