3.3. Подготовка скальных пород взрывом

Под взрывом понимают процесс выделения большого количества энергии и большого объема газов за весьма короткий промежуток времени. В горной промышленности получили распространение взрывы с использованием химических взрывчатых веществ (ВВ). Выполняемые с помощью ВВ работы по разрушению твердых сред взрывом при разработке месторождений полезных ископаемых называют взрывными.

Они являются практически единственным способом подготовки к выемке скальных пород.

Для передачи максимальной энергии взрыва среде ВВ должно быть расположено, как правило, внутри массива разрушаемой породы в искусственно создаваемых полостях (рис. 3.5). Цилиндрические полости именуют шпурами или скважинами (рис. 3.5, а, б), скважины имеют диаметр более 75 мм и глубину свыше 5 м. Процесс искусственного образования в массиве шпуров и скважин называют – бурением. Для этой цели используют бурильные машины и агрегаты. Иногда нижнюю часть скважины расширяют, создавая шарообразную полость – «котел» (схема в). Для размещения крупных зарядов, масса которых превышает несколько тонн, создают специальные подземные выработки – камеры (схема г). Разрушение отдельных кусков породы ведут наружными накладными зарядами (схема д). По типу полостей получили свое название методы взрывных работ.

а б в

г д

Рис. 3.5. Типы зарядов при ведении взрывных работ на карьерах: а – скважинный; б – шпуровой; в – котловой; г – камерный; д – накладной; 1 – заряд ВВ; 2 – забойка; 3 – зажигательная трубка, 4 – гидроэкран.

На карьерах наиболее распространен метод скважинных зарядов. Метод шпуровых зарядов применяют при разработке залежей незначительной мощности (до 1,5–3,0 м), при отбойке блоков облицовочного камня, для подработки подошвы уступов и разрушения крупных кусков породы. Метод котловых зарядов находит применение в тех случаях, когда расчетный заряд не размешается в скважине. Метод камерных зарядов используют при строительстве карьеров или сооружении плотин, насыпей, создании выемок для транспортных коммуникаций.

Разрушение горной породы, действием взрыва – весьма сложный процесс, характер которого зависит от многих факторов. Продукты взрыва, действуя на стенки зарядной камеры, создают в массиве нестационарное поле напряжений, скорость распространения которого зависит от физико-механических свойств и трещиноватости пород. Вблизи заряда возникают ударные волны, вызывающие разрушение горных пород и уплотнение раздробленных частиц, формирующих зоны сжатия. На расстоянии 1–5 диаметров заряда ударная волна теряет свои начальные параметры и переходит в волну напряжения, скорость перемещения которой зависит от упругих свойств и строения массива. Дробление пород происходит в результате образования радиальных трещин, распространяющихся вглубь массива и к свободной поверхности. В результате отражения волны напряжений от поверхности возникает внешняя зона дробления. Между радиальными появляются концентрические трещины (рис. 3.6), обусловленные действием отраженной волны [27].

В

Рис. 3.6. Схема разрушения взрывом одиночного заряда (по Г.И Покровскому)

образовавшуюся систему трещин проникают продукты взрыва. Они завершают разрушение массива, вызывая перемещение кусков и формирование развала горной массы. Экспериментальным путем установлено, что в монолитных породах 75–88 % общего объема разрушения связано с волновыми процессами и только 12–25 % – с действием расширяющихся продуктов взрыва

При взрыве цилиндрического удлиненного заряда в массиве образуются три зоны: смятия или раздавливания, трещиноватости и упругих деформаций. Исследованиями Б.Н. Кутузова и А.П. Андриевского установлено, что радиус зоны смятия прямо пропорционален диаметру взрывной полости, давлению, развиваемому продуктами детонации применяемого ВВ и обратно пропорционален пределу прочности разрушаемого массива на сжатие.

Радиус зоны трещинообразования прямо пропорционален диаметру образующейся при взрыве зоны смятия, давлению, развиваемому продуктами детонации применяемого ВВ, отношению радиусов взрывной полости и зоны смятия и обратно пропорционален пределу прочности разрушаемого массива на срез.

Сопротивление горных пород разрушению под действием взрыва заряда ВВ называют взрываемостью пород. Она зависит от прочности, плотности, трещиноватости, упругих и пластичных свойств массива. На карьерах взрываемость пород устанавливают экспериментально. При выполнении учебных расчетов массивы горных пород можно разделить по степени взрываемости на легко-, средне- и трудновзрываемые. Каждой категории соответствуют определенный расход ВВ и параметры зарядов.

Взрывные работы должны обеспечить: требуемую кусковатость взорванной горной массы при сохранении сортности и качества полезного ископаемого; качественную проработку подошвы уступа; соответствие размеров и формы развала взорванной горной массы параметрам выемочно-погрузочного оборудования; объем взорванных пород, достаточный для бесперебойной и высокопроизводительной выемки и погрузки; высокую безопасность и экономичность горных работ.

Взрывные работы на карьерах ведут в две стадии. На первой массив горных пород разрушают (первичное дробление), на второй – измельчают негабаритные куски (вторичное дробление), выравнивают подошву уступа, ликвидируют навесы, заколы и пр.