3. Механізм руйнування порід вибухом окремого заряду та одночасним вибухом двох зарядів

При вибуху сферичного заряду 1 (рис. 5.2) детонаційна хвиля на поверхні контакту заряд-порода переходить в ударну хвилю в гірському масиві, параметри якої визначаються властивостями ВР і гірської породи.

Рис. 5.2 – Схема дії вибуху в гірській породі: 1 – заряд ВР; 2 – зона витиснення; 3 – зона подрібнення; 4 – зона руйнування; 5 – зона струсу; 6 – зона відколу; 7 – вільна поверхня; 8 – радіальні тріщини; 9 – тангенціальні тріщини

У міру віддалення ударної хвилі від поверхні контакту заряд-порода її швидкість поширення і тиск на фронті зменшуються внаслідок втрат енергії. На деякій відстані від місця розташування заряду ВР швидкість ударної хвилі стає рівною швидкості звуку в породі і надалі залишається постійною. Тиск газоподібних продуктів вибуху також знижується в міру їхнього охолодження і розширення камуфлетної порожнини, що утворилася під впливом вибуху.

Процес руйнування гірської породи відбувається у наступній послідовності. Ударна хвиля і тиск продуктів вибуху руйнують і повністю витісняють (зона 2) деякий об'єм породи (зона 3), що прилягав перед вибухом безпосередньо до заряду, утворюючи порожнину (зона 2) радіусом r₂ = (1,5...6)r₁.

Якщо вибух зроблений у крихкому середовищі, то в зоні 3 порода подрібнюється на частки розміром порядку міліметра. Подрібнена до такого ступеня порода перед вибухом займала об'єм, розміщений у сфері радіусом не більш двох радіусів заряду ВР. З віддаленням від місця розташування заряду ВР стискаючі напруги від ударної хвилі швидко падають і на деякій відстані стають менше міцності породи на стиск, тому порода перестає руйнуватися безпосередньо від стискаючих радіальних напружень. Однак, при наявності цих напружень у породі виникають напруження, що розтягують її в тангенціальному напрямку.

Як відомо, крихка гірська порода має досить слабкий опір навантаженням, що розтягують, тому в зоні 4 тангенціальні напру-ження перевищують міцність породи на розтягання і з'являється мережа тріщин 8 розриву породи в радіальному напрямку. Крім того, після проходу хвилі стиску через якийсь час утвориться хвиля розтягання, у якій радіальні напруги (хоча і набагато меншої величини) бyдyть розтягуючими. Тому в ближній (до заряду ВР) частини зони 4 з'являються тріщини 9 у тангенціальному напрямку від дії радіальних напружень, що розтягують. Радіус зони 4 складає, як правило, r₃ = (15...40)r₁.

При подальшому поширенні ударної хвилі (зона 5) тангенціальні напруження, що розтягують, знижуються і стають менше величини межі міцності породи на розтяг. Тому в зоні 5 відбуваються тільки коливання часток породи без її руйнування і дана область породи зветься зоною струсу.

При розташуванні заряду ВР не на дуже великій відстані від вільної поверхні 7 хвиля стискаючих напруг загасає не цілком при підході до цієї поверхні і при відбутті від її утворює хвилю розтягу, що поширюється в зворотному напрямку (у глибину породного масиву). Якщо поблизу вільної поверхні 7 радіальні напруги роз-тягу перевищують межу міцності породи на розтяг, то створюються відкольні лійки 6. Коли заряд ВР розташований досить близько до вільної поверхні 7 зона відколу 6 може зімкнутися з зоною 4 і виникає руйнування всього об’єму породи від заряду до вільної поверхні.

За особливостями механізму руйнування всі гірські породи поділяються на три групи:

1) ґрунтові масиви (піски, супіски, глини та ін.);

2) міцні монолітні породи (граніти, базальти, доломіти, піщаники та ін.);

3) породи малої і середньої міцності (глинисті і піщанисті сланці, неміцні піщаники, вапняки, вугілля та ін.).

Породи першої групи руйнуються в основному під впливом високого тиску газів вибуху, у результаті чого в ґрунті утворюється порожнина. Окремі частки породи розганяються газами і додатково роблять руйнування стінок порожнини. При певних співвідно-шеннях величини заряду і глибини його закладання частки ґрунту викидаються на вільну поверхню. Ударна хвиля має малий вплив на процес руйнування ґрунту через його слабку зв'язаність і наявність у ньому великої кількості пор і порожнеч, що сприяють швидкому загасанню ударної хвилі.

Породи другої групи руйнуються в основному за рахунок дії ударної хвилі, що викликає поширення в прилягаючому масиві хвиль напружень стиску і розтягу. У момент приходу ударної хвилі в яку-небудь точку масиву тиск у цій області стрибкоподібно збільшується від початкового значення Р₀ (початкове поле напру-жень) до Р₁ на фронті ударної хвилі (рис. 5.3). За фронтом тиск швидко падає і через час t_ст дії фази стиску тиск стає меншим початкового Р₀. З цього моменту часу фаза стиску змінюється фазою розвантаження (чи розтягу) тривалістю t_pоcm. У момент приходу ударної хвилі в деяку точку масиву гірської породи середовище в околиці цієї точки починає переміщатися з повною швидкістю u в напрямку поширення ударної хвилі. Характер залежності u(t) аналогічний залежності P(t) (див. рис. 5.3).

Рис. 5.3 – Епюра напружень від вибуху в гірській породі

У фазі стиску середовище рухається убік переміщення ударної хвилі, а у фазі розвантаження (розтягу) – у зворотному напрямку, але з меншою швидкістю. У міру віддалення ударної хвилі від епіцентру вибуху хвиля розтягується в часі (збільшуються часи t_ст і t_pоcm), а тиск Р₁ на фронті і швидкість переміщення часток середо-вища зменшуються.

При вибуху на породу поблизу заряду ВР діє високий тиск (до десятків ГПа), і порода в цій зоні сильно деформується і руйну-ється. У міру віддалення від заряду ВР напруження в хвилі стиску зменшуються і на певній відстані стають менше опору породи стиску R_ст. З цього моменту ударна хвиля, що поширюється далі, створює у середовищі стискаючі напруження в радіальному напрямку, а в тангенціальному (обводовому) – розтягуючи напру-ження, які викликають утворення радіальних тріщин розриву (див. рис. 5.2). Коли напруження від впливу ударної хвилі зменшуються до значення опору породи на розтяг R_р, процес тріщино утворення припиняється.

Коли хвиля напружень досягає оголеної поверхні, то частки середовища на ній, що не мають перешкоди, починають переміщу-ватися в атмосферу, затягаючи у цей процес усе більш глибоко-залягаючі шари. По масиві починає поширюватись відбита хвиля розтягу. Якщо напруження в цій хвилі перевищують R_р, то відбувається руйнування породи з утворенням відкольних лійок (див. рис. 5.2).

Руйнування гірських порід при одночасному висадженні декель-кох зарядів. Вивчення механізму взаємодії хвиль напружень від вибуху суміжних зарядів ВР показує, що до моменту зустрічі хвиль середовище навколо кожного заряду поводиться так само, як і при вибуху одиночного заряду. При зустрічі хвиль напружень відбува-ється їх збільшення напруг по лінії, що з'єднує ці заряди, і зменшення напружень у точці перетинання ліній, спрямованих під кутом 45º до лінії, що з'єднує заряди (рис. 5.4).

Рис. 5.4 – Схема одночасної дії зарядів і твердого середовища

Руйнування гірських порід при короткоуповільненому висадже-нні. Зараз найбільше поширення отримало короткоуповільнене висадження (послідовне висадження окремих чи груп зарядів з проміжком часу у тисячні і соті частки секунди) внаслідок таких переваг:

- значне зменшення сейсмічного ефекту;

- зниження розкиду гірської породи;

- зниження витрат ВР;

- прискорення темпів спорудження виробок.

При короткоуповільненому висадженні відбувається взаємодія вибухів зарядів суміжних серій уповільнення. Характер взаємодії залежить від величини уповільнення, послідовності висадження зарядів і визначається: інтерференцією ударних хвиль; зіткненням шматків породи, що перемішаються від вибуху; використанням енергії відбитих хвиль за рахунок утворення додаткових оголених поверхонь від вибуху попередньої серії зарядів.

За Г.І. Покровським позитивний ефект від інтерференції ударних хвиль досягається в тому випадку, коли напрямки зсуву часток породи від попереднього і наступного вибухів збігаються. При цьому збільшуються підсумкові напруження і зсуви, що інтен-сифікує процес руйнування породи. Від вибуху заряду 1 (рис. 5.4) хвиля стиску поширюється до відкритої поверхні і після відобра-ження від неї утворює хвилю розтягання, яка розповсюджується у глибину породного масиву. Вибух заряду 2 повинний здійсню-ватися в момент проходження через нього цієї відбитої хвилі.

Рис. 5.5 – Схема взаємодії зарядів при короткоуповільненому висадженні

3і схеми (рис. 5.5) неважко одержати формулу Г.І. Покровського для розрахунку необхідного часу уповільнення вибуху заряду 2

(5.5)

де а – відстань між зарядами ВР; W – л.н.о.; u – швидкість зсуву часток породного масиву.

Зіткнення шматків породи, що переміщуються від вибуху, відбувається внаслідок того, що передній фронт породи, висадженої наступним вибухом, рухається зі швидкістю 20...60 м/с, що приблизно на порядок перевищує швидкість руху заднього фронту породи (3...5 м/с), висадженої попереднім вибухом.