книги из ГПНТБ / Ханукаев, А. Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом

А. Н. Х А Н УК А Е В

ФИЗИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ ПРИ ОТБОЙКЕ

ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ

МОСКВА „НЕДРА"

1974

УДК 622.235 : 622.236.4.026.5 : 534.222.2

Гос. п бличм :я

научно-т* ,ич библио .>Oiletь« а. f*

эк з е м п л я р

ЧИ ТАЛ ЬН О ГО ЗА Л А

W - 3 4 3 3 ?

Ханукаев А. Н. Физические процессы при отбойке тор­ ных пород взрывом. М., «Недра», 1974. 224 с.

В книге приведены основные сведения о составе и свой­ ствах пород с точки зрения разрушения их взрывом, теории и критерии прочности, необходимые для расчета затрат энергии взрывчатых веществ на дробление и перемещение породы. Рассмотрены закономерности образования и рас­ пространения ударных волн и волн напряжений в породе в ближней, средней и дальней зонах взрыва, вопросы взаимо­ связи параметров детонационной и ударной волн в породе. На основе известных положений теории упругости изложена методика расчета поля напряжений при взрывании одиноч­ ных и групповых зарядов.

Большое внимание уделено процессу разрушения при различных методах отбойки, различных способах взрывания и управлению степенью дробления горных пород взрывом. Наряду с изложением закономерностей распространения ударных воздушных и сейсмовзрывных волн приведены реко­ мендации по устранению или уменьшению их вредного вли­ яния на подземные выработки и горное оборудование.

Книга предназначена для научных и инженерно-техни­ ческих работников, занимающихся взрывными работами, и может быть полезна преподавателям и студентам горных, геологоразведочных и инженерно-строительных вузов.

Табл. 31, ил. 131, список лит. — 100 назв.

© Издательство «Недра», 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эффективность работы горного предприятия существенно зависит от качества отбойки горной массы. Несмотря на наличие мощных средств для управления действием взрыва, таких, как коротко­ замедленное взрывание, регулирование мощности ВВ по высоте заряда, направленное взрывание и др., не всегда удается достигнуть необходимой степени дробления. Это объясняется недостаточной изученностью физических явлений. Даже в таком важном вопросе, как оценка степени дробления, пользуются разными показателями — процентом выхода негабаритных кусков, диаметром средневзвешен­ ного куска, фракционным составом взорванной массы. Эти показа­ тели не являются обобщающей характеристикой взорванной массы. Между тем без надежных методов оценки степени дробления трудно наметить пути управления действием взрыва и установить влияние степени дробления на стоимость отдельных технологических опера­ ций и общую стоимость добычи полезного ископаемого.

Весьма важным является также подбор типа ВВ и приведение его детонационных характеристик в соответствие со свойствами гор­ ных пород, при которых коэффициент использования энергии взрыва является максимальным. В большинстве случаев эта задача решается приближенно, без достаточного научного обоснования. Легко пред­ ставить в масштабах нашей страны экономический эффект от примене­ ния ВВ, свойства которых соответствуют конкретным горно-геоло­ гическим условиям.

С ростом производственной мощности горных предприятий

иобъема взрывных работ увеличилась интенсивность воздействия ударных воздушных волн и сейсмических колебаний на сооружения

игорные выработки, что потребовало разработки специальных мероприятий по уменьшению их разрушительного действия.

Для рационального использования энергии взрыва и управления действием взрыва необходимы также сведения о сопротивляемости горных пород действию взрыва и о процессе разрушения горных пород при различных методах и способах взрывания.

Без накопления достаточного количества данных о параметрах ударной волны в различных средах, волны напряжений и сейсмо­ взрывных колебаний в массиве горных пород, без данных о коли­ честве энергии, передаваемой зарядом породе, и о характере распре­

Г л а в а I

О СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ДЕЙСТВИЮ ВЗРЫВА

§ 1. Факторы, влияющие на сопротивляемость торных пород действию взрыва

Задачей взрыва является получение заданной кусковатости, необходимой формы навала взорванной массы и ее перемещение на заданное расстояние. Эта задача обычно решается эмпирически — подбором параметров буровзрывных работ, включая подбор типа ВВ, способов и схем взрывания, интервалов замедления и др.

Сложность учета физических процессов, изменяющихся с измене­ нием условий ведения взрывных работ, вынуждает проводить испы­ тания многократно, при этом остается неизвестным, является ли полученный результат оптимальным.

Решение задачи было бы облегчено, если бы имелись сведения о протекающих при разрушении процессах. Для анализа физических явлений необходимо иметь данные о сопротивляемости горных пород действию взрыва. Сопротивляемость массива действию взрыва за­ висит от свойств пород и массивов, величины, длительности и формы взрывного импульса. Свойства пород и массивов, в свою очередь, зависят от условий образования, минерального состава и последу­ ющих тектонических процессов, а величина, длительность и форма взрывного импульса — от типа ВВ, формы, размеров и конструкции заряда, схем взрывания и интервалов замедления. Сопротивляе­ мость пород действию взрыва зависит также от абсолютных размеров обнаженных поверхностей, их числа и расположения относительно заряда.

Состав горных пород, силы связи, трещиноватость. Горные породы обычно представляют трехкомпонентную среду, состоящую из твердых частиц, жидкости и газов.

Нагрузка, приложенная к породе, вызывает изменение плотности каждого из компонентов, в результате чего изменяются ее свойства.

Средняя плотность трехкомпонентной горной породы

5

т — суммарная масса всех трех фаз; V — общий объем.

Плотность минералов, из которых слагается твердый скелет, до­ стигает 4 г/см3 и более [1]. Плотность горной породы не превышает плотности составляющих ее минералов и обычно равна от 1,1 до 3 г/см3. С увеличением плотности, как правило, увеличивается прочность породы и ее сопротивляемость действию взрыва, при этом затраты энергии на дробление и перемещение породы увеличиваются.

Пористость породы, равная отношению объема пор к общему объему породы, выражается в долях единицы или в процентах:

Р = <х2 + а3;

Р% = (а 2 + а3)100.

Пористость твердых пород колеблется от 0,1 до 50%, чаще от 1 до 20%. Под давлением пористость уменьшается, например, у глин от 50 до 7%. С увеличением пористости скорость распространения возмущений при взрыве — ударной волны и волны напряжений — уменьшается.

С ж и м а е м о с т ь — способность уменьшаться в объеме глав­ ным образом за счет уменьшения объема пор и пустот. Абсолютная величина сжимаемости зависит от пористости, содержания жидкости и газа, а также от величины и длительности прилагаемой нагрузки.

Известно, что прочность кристалла обусловлена внутримоле­ кулярными силами взаимодействия, строением кристаллической решетки и ее дефектами. Поскольку горные породы представляют агрегаты минералов с различными типами химической связи, то они обладают различными по величине молекулярными силами сцеп­ ления.

Силы сцепления между кристаллами обычно меньше сил сцепле­ ния внутри самого кристалла, при этом силы сцепления между кристаллами тем меньше, чем больше крупность кристалла. Мелко­ зернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозер­ нистые. Во многих породах прочность связей между зернами меньше прочности самих зерен, и трещина может проходить между ними.

Дефекты обусловлены либо отсутствием атомов в некоторых узлах кристаллической решетки, либо наличием вклинившихся между узлами других атомов. Могут иметь место также дефекты, обуслов­ ленные нарушением нормальной структуры из-за сдвига одной части кристалла относительно другой [2]. Дефекты, в виде пор, пустот, микротрещин, неоднородностей, плоскостей спайности и др. имеются в любом элементе горной породы. Все они являются местами кон­ центрации напряжений. Если микродефекты влияют на свойства элемента, то трещины влияют на свойства массива. Сильнотрещино­ ватый массив квазиизотропен. Однако обычно массив рассечен не­ одинаковыми по интенсивности и направлению трещинами, поэтому он в той или иной степени также анизотропен. Наибольшей анизо­ тропией обладают массивы осадочного и метаморфического происхо­

6

ждения, наименьшей — изверженные. В ряде случаев анизотропия даже изверженных пород проявляется довольно резко, что легко проследить по скорости распространения продольной волны в раз­ личных направлениях.

Из трех видов пород — изверженных, осадочных и метаморфиче­ ских — н а и б о л ь ш е й с о п р о т и в л я е м о с т ь ю дей­ ствию взрыва обладают изверженные, н а и м е н ь ш е й — осадоч­ ные и метаморфические.

Естественная трещиноватость оказывает существенное влияние на дробимость горных пород и гранулометрический состав взорван­ ной массы. В массиве крупноблочной структуры содержится много кусков, размеры которых превышают кондиционные. Воздействию взрыва подвергается главным образом та часть массива, которая непосредственно примыкает к заряду. Остальная часть перемещается

Рис. 1. Виды упругих волн, отражающихся от границы раздела:

Со — фронт продольной волны; Cs — фронт поперечной волны; К — фронт конической волны; Сд —- точка,

в которой начинается формирование поверхностной волны Релея; F — возмущающая сила

без существенного дробления. При взрыве одиночного заряда число некондиционных кусков во взорванной массе пропорционально числу кусков в массиве до взрыва. При короткозамедленном взры­ вании зарядов имеет место соударение частей массива, которое ведет к дополнительному дроблению.

Следует отметить, что основная часть энергии заряда расходуется на перемещение породы. Она пропорциональна плотности породы. Лишь небольшая часть энергии ВВ (не более 1 —2%) расходуется на дробление. Тектонические трещины являются границами, от кото­ рых волна отражается, в результате чего ее интенсивность умень­ шается и она не может оказать сильного разрушающего действия на ту часть массива, которая расположена за трещинами.

Упругие свойства. В зоне высоких давлений горная порода ведет себя подобно жидкости. В последней, так же как в газах, распространяется только продольная волна. При сравнительно небольших нагрузках в грунтах и скальных породах распростра­ няется продольная и поперечная волны. При падении продольной или поперечной волны на границу раздела сред от последней отра­ жается обычно и продольная, и поперечная волна, при этом вдоль границы вначале распространяется продольная, затем поперечная, а за ней поверхностная волна Релея (рис. 1). Связь между видами волн, упругими свойствами горных пород — упругими постоянными и плотностью — установлена теорией упругости.

7

где Е — модуль упругости; (х — коэффициент Пуассона;

в стержнях, у которых поперечное сечение значительно меньше

Скорость распространения поперечной волны в стержне, пластине и безграничной среде

Скорость распространения поверхностной волны Редея

В жидкости модуль сдвига G = 0 и продольная волна распростра­ няется со скоростью

Величины К, G, Е и ц взаимосвязаны:

В теории упругости используется также обозначение

Ец

(1-Ь|х)(1 — 2ц) '

8

Модули X и G называются параметрами Ляме:

^ = 2(Я + G) ’ K = X + j G .

Скорость распространения упругих волн в массиве горных пород меньше, чем в образце, что объясняется наличием трещин. Трещины обычно заполнены менее твердыми породами, жидкостью и газами. Разница в скоростях распространения волн, а следовательно и в упру­

С возрастанием плотности обычно увеличивается прочность горных пород, скорость распространения продольной волны, а также модули упругости. Как правило, с ростом модулей упругости и прочности возрастает акустическая жесткость. Скорость распростра­ нения продольной волны в образцах пород плотностью 1,1—2,5 г/см3 составляет обычно 1000—2500 м/с, в породах плотностью 2,5— 2,6 г/см3 от 2500 — до 6000 м/с, а в породах плотностью 2,6—3,0 г/см3 — от 6000 до 8000 м/с. Скорость распространения продольной волны в сильнотрещиноватом массиве может снизиться до нескольких сот метров в секунду. Рост плотности ведет к увеличению затрат энергии на перемещение, рост прочности — к увеличению затрат энергии на единицу вновь образуемой поверхности. Напряжения в массиве при прочих равных условиях растут пропорционально акустической жесткости.

Увеличение трещиноватости массива ведет к уменьшению ее акустической жесткости, потерям энергии волн по мере их распро­ странения и к ухудшению дробления под воздействием волны на­ пряжений.

Прочность образца горных пород в условиях простого и сложного напряженных состояний. Абсолютная величина разрушающего на­ пряжения зависит не только от свойств породы, но и от вида напряжений. В связи с этим различают пределы прочности породы сжатию [осжЬ сдвигу [осдв], растяжению [ор] и др. Независимо от характера приложенных напряжений разделение образца на части происходит либо путем отрыва, либо путем сдвига (среза) одной части относительно другой. При отрыве или сдвиге преодолеваются атомные или молекулярные силы связи. Отрыв приписывается действию нормальных, а сдвиг — действию касательных напряжений.

Горные породы хорошо сопротивляются сжатию и плохо — рас­ тяжению. Предел прочности одноосному сжатию мелкозернистого кварца и нефрита достигает 5000—6000 кгс/см2, тогда как у угля составляет 10—350 кгс/см2. Предел прочности образца растяжению обычно не превышает 0,1—0,5 предела прочности сжатию (меньшие

9