книги из ГПНТБ / Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах

где Нgo — высота вертикальной части откоса (упругого слоя) определяется по формуле (IV. 1).

Для откоса обычной конфигурации (рис. 61, б) приведенная расчетная формула приобретает вид

Исходя из различного характера деформации обрушаемого уступа можно выделить две основные группы схем разработки: послойная разработка вскрыши с обрушением породы при ее подрезке на приемное устройство экскавационной машины и раз­ работка уступов большой высоты с предварительным обрушени­ ем пород и последующей выемкой их из развала (разработка с самооползающим откосом; при подрезке контактов наклонных слоев; разработка крутыми слоями; при подработке основания и проведения в кровле оконтуривающей выработки).

Отработка грунтовых уступов по второй схеме наиболее пер­ спективна, хотя в определенных условиях и не отвергает пер­ вую. Из подразделений второй схемы самым универсальным яв­ ляется обрушение уступов с подработкой основания и проведе­ нием в кровле уступа оконтуривающей выработки, так как в данном случае не требуется никаких дополнительных факторов (наличия глинистых слоев, воды и пр.). Она может также при­ меняться при отработке уступов экскаваторами (роторными, драглайнами, прямой лопатой, погрузчиками) при транспорт­ ных, бестранспортных и комбинированных системах. Принцип обрушения по данной схеме остается одинаковым во всех слу­ чаях, разница заключается в способе создания оконтуривающей выработки в кровле и подработки основания уступа.

Проведение ослабляющей выработки в основании уступа мо­ жет быть осуществлено выемочно-погрузочными или специаль­ ными машинами и механизмами, воздействием высоконапорной струи воды и с использованием энергии взрыва. На выбор того или иного способа решающее влияние оказывают система или способ разработки уступа, физико-механические свойства пород

ипараметры обрушаемого уступа. Как показали исследования

ипроверка их в производственных условиях [74], для подработ­ ки основания уступа механическим способом в настоящее время наиболее пригодны экскаваторы-драглайны. Внедрение бестран­

спортной системы разработки с обрушением на Михайловском разрезе, где подработка основания уступа и отгрузка обрушен­ ной массы производились экскаваторами ЭШ-10/60, позволило увеличить высоту отрабатываемого уступа в 1,6 раза, уменьшить коэффициент экскавации в 1,5—2 раза и снизить себестоимость

175

разработки 1 мг вскрыши в 1,2—1,5 раза [44]. Однако примене­ ние драглайнов при транспортно-отвальной и транспортной си­ стемах разработки, очевидно, нецелесообразно, так как требует специальных устройств для механической подрезки уступов.

Создание ослабляющей выработки в подошве уступа воздей­ ствием высоконапорной струи воды заложено в самом принципе гидромониторной разработки грунтовых уступов. Воздействие струи воды на разрушаемые породы весьма разнообразно и складывается из совокупности ряда процессов. Удар струи по породе сотрясает ее и нарушает первоначальные плотность и структуру грунта, образуя дополнительные трещины и сдвиги; одновременно в существующих и вновь образовавшихся трещи­ нах создается гидравлическое давление, способствующее отсое­ динению от массива отдельных частей породы; беспрерывный поток воды обеспечивает вымывание и унос из массива раздроб­ ленных частей породы. Однако процесс гидроразмыва является наиболее энергоемкой операцией из комплекса гидровскрышных работ. Образование ослабляющей выработки в подошве уступа (вруба) требует 50—80% всего рабочего времени при объеме по­ роды во врубе 4—5% общего объема уступа. В связи с этим по­ требовалось создание специальных подрезающих механизмов.

Внастоящее время промышленность еще не выпускает машины

имеханизмы для механической подрезки основания уступов, но ряд научных организаций работает над их созданием. Так, на­ пример, ИГД СО АН СССР проводит испытание созданного им опытного образца машины для механической подрезки уступов высотой до 30 м на базе экскаватора ЭШ-4. В лаборатории гид­ ромеханизации Московского горного института создана и испы­ тана экспериментальная буровая установка для подрезки усту­ па производительностью 50—55 м3/ч при глубине вруба 1,5— 1,6 м и высоте 0,45 м. Удельная энергоемкость составила 1,4—1,6 кет • ч/м3, что в 5—10 раз ниже энергоемкости подрезки уступа струей воды. Однако создающиеся установки для меха­

нической подрезки уступа также будут иметь ограниченный круг применения из-за уже существующих в них недостатков.

Теоретически обрушение уступа должно произойти при под­ резке его врубом минимальной высоты. Но при разработке грун­ тового уступа высота ослабляющей выработки в его основании имеет большое значение. Она регламентируется как физико-ме­ ханическими свойствами разрабатываемых пород, так и требо­ ваниями, предъявляемыми к качеству дробления обрушаемой по­ роды. Естественно, что для большинства связных пород высота вруба 0,5 м при разработке высоких уступов может оказаться недостаточной, т. е. в данном случае вновь возникает жесткая связь между оборудованием и разрабатываемым уступом.

С меньшей эффективностью, чем при гидромониторной разра­ ботке, но также успешно применяется принцип обрушения при разработке грунтовых массивов плавучими земснарядами. По

176

С целью обеспечения безопасности производства подготови­ тельных работ для обрушения уступа с помощью взрыва расчет­ ный коэффициент устойчивости должен быть не менее 1,5—1,20, что достигается приданием уступу устойчивого угла откоса. Об­ рушение уступа надежно обеспечивается при снижении расчет­ ного коэффициента 14 до 0,8—0,85.

Ослабление основания уступа может быть достигнуто взры­ вом на выброс призмы грунта в основании уступа или взрывом на разрыхление грунта в объеме этой призмы. В обоих случаях

Рис. 62. Технологические схемы обрушения уступов взрывом:

а — траншейного заряда (/); 6 — скважинных зарядов (2); в — котловых зарядов (3).

основополагающей является глубина выброса или рыхления, определяющая переход массива в состояние предельного равно­ весия. Эта глубина а (рис. 62) определяется из условия предель­ ного равновесия обрушаемого блока BKEDC при небольшой (в сравнении с высотой) мощности блока, которое может быть за­ писано в общем виде с учетом коэффициента устойчивости:

tg cp — коэффициент внутреннего трения пород; I — длина линии сдвижения (DC).

sin a

Подставив значения Р и / в уравнение (IV.6) и решив его отно сительно а, получим

178

словливает размер призмы выброса в основании уступа, и вели­ чина его определяется физико-механическими свойствами обрушаемых пород, углом обрушения уступа. Увеличение показателя действия взрыва улучшает рыхление обрушаемого грунта, так как чем больше высота вруба, тем больше возникает инерцион­ ных сил в момент удара обрушаемого блока о подошву уступа. Но при этом возрастает расход ВВ.

(рис. 62, а) и взрывом сосредоточенных зарядов, расположенных в наклонных или горизонтальных скважинах, пробуренных в по­ дошве уступа (рис. 62, б), либо в вертикальных скважинах, прой­

или на рыхление его с целью обрушения уступа могут быть ус­ пешно применены при практически неограниченной высоте необ­ водненного уступа, разрабатываемого экскаваторами или гидро­ мониторами.

Обрушение уступа по схеме рис. 62, а достигается разруше­ нием призмы упора взрывом удлиненного цилиндрического за­ ряда, расположенного в горизонтальной скважине, пройденной в подошве уступа. Эта схема применяется при обрушении высо­ ких уступов, сложенных плотными связными нескальными поро­ дами. Обрушение уступа по фронту производится блоками, дли­ на каждого ограничивается технологическими возможностями проведения горизонтальной скважины и заряжания ее и состав­ ляет 30—40 м. Диаметр скважины определяется радиусом заря­ да, размещаемого в ней. Зарядная скважина проходится станком горизонтального бурения или пневмопробойником типа ИП-4601.

Обрушение уступа может опережать отработку его обрушен­ ной части экскаватором на блок. Для опережения обрушения в основании уступа проходится выработка, в которой размещается оборудование для проведения скважины и заряжания ее. Выра­ ботка может быть пройдена также взрывом удлиненного гори­ зонтального заряда. Для этого в груди забоя параллельно по­ дошве уступа закладывается зарядная скважина. После взрыва заряда образуется цилиндрическая полость, радиус которой и вес заряда, образующий ее, связаны зависимостью

Гпол ; : ксж Vc„, (IV. ю) где kcm — коэффициент податливости (сжимаемости).

Длина выработки зависит от глубины заложения цилиндри­ ческого заряда, обрушающего уступ. Зарядка горизонтальных скважин производится пневмозарядчиками. Вес горизонтально­ го цилиндрического заряда, необходимого для разрушения приз­ мы упора на требуемую глубину а и обрушения уступа, рас­ считывается по формуле (IV.8).

Бурение скважины и заряжание ее должно быть выполнено до образования оконтуривающей щели. Взрывание удлиненного заряда в основании уступа производится после устройства окон­ туривающей выработки. Если выработка образуется взрывным способом, то взрывание удлиненного горизонтального цилиндри­ ческого заряда в основании уступа производится с замедлением 500 мсек по отношению к взрыву зарядов, образующих оконтуривающую щель.

Обрушение уступа по схеме рис. 62, б достигается разруше­ нием призмы упора взрывом котловых зарядов, расположенных в подошве уступа, в горизонтальных или наклонных скважинах, пробуренных с груди забоя, или в вертикальных скважинах, прой­ денных с кровли уступа. Расположение зарядов в горизонталь­ ных или наклонных скважинах применяется при обрушении уступов, сложенных устойчивыми нескальными породами.

Глубина наклонной буровой скважины определяется из вы­

где р — угол наклона скважины, град.

Расположение котловых зарядов в вертикальных скважинах, пройденных с кровли уступа, применяется при обрушении усту­ пов, сложенных слабоустойчивыми нескальными породами, ког­ да работа у основания уступа осложняется по соображениям техники безопасности.

Глубина вертикальной скважины равна высоте обрушаемого уступа, поэтому применение указанной схемы ограничено техно­ логическими трудностями бурения и заряжания глубоких сква­ жин в грунтах.

Глубина подработки основания уступа по этой схеме, опре­

где Wn — линия сопротивления заряда по подошве, ж; Н — вы­ сота уступа, ж; 6 — расстояние от верхней бровки уступа до оси скважины (устанавливается при проектировании, но не менее

3 ж).

Расчет веса котлового заряда определяется по известной формуле Борескова

180

Образование котла в скважине производится взрыванием прострелочного заряда, величина которого определяется по фор­ муле

В качестве ВВ применяются игданит, гранулит и зерногранулит. Взрывание можно производить электрическим способом или с помощью ДШ. Все котловые заряды взрываются одновремен­ но после образования оконтуривающей щели. Бурение скважин, создание котлов и заряжание их производится до проведения оконтуривающей выработки в кровле уступа.

При разработке грунтов плавучими земснарядами ослабле­ ние основания уступа производится по иным схемам. Известно, что основные прочностные характеристики грунта — угол внут­ реннего трения и сцепление — в значительной степени зависят от влажности грунта. Исследования показывают, что угол внутрен­ него трения с увеличением влажности от 6% до полного водонасыщения уменьшается в 1,4—1,7 раза, а сцепление — в 3— 7 раз [60].

Принудительное обрушение при разработке уступов плавучи­ ми земснарядами производится в случае наличия в нижней час­ ти тяжелых глинистых грунтов, обладающих упруго-пластично­ вязкими свойствами, пространственная решетка которых образо­ вана в основном под действием ван-дер-ваальсовых молекулярных сил сцепления. Все механические свойства таких структур и их тиксотропия объясняются тем, что частицы глины по участ­ кам контакта всегда разделены остаточными тонкими прослой­ ками водной среды, через которые действуют ван-дер-ваальсовы силы молекулярного притяжения, в большей или меньшей степе­ ни ослабленные расстоянием. С увеличением толщины прослоек воды, т. е. при увеличении влажности грунта, прочность структуры падает, так как увеличивается расстояние, на котором действу­ ют молекулярные силы сцепления.

Остаточные прослойки водной среды в контактах частиц гли­ ны, играющие роль смазочных слоев, определяют также относи­ тельную подвижность отдельных элементов структуры, т. е. ее пластичность и ползучесть, даже при самых малых напряжениях сдвига.

В упруго-хрупких телах развитие остаточных деформаций не

181

женный предел текучести. При достаточно малых напряжениях сдвига имеет место медленное течение ползучести с постоянной и предельно большой вязкостью. При таком течении структура разрушается настолько медленно, что успевает вновь восстанав­ ливаться, и равновесная степень разрушения весьма мала. По­ вышение напряжения приводит при переходе через предел теку­ чести к резкому падению вязкости в результате лавинного раз­ рушения структуры. Пластичные твердообразные тела легко принимают любую форму при напряжениях выше предела теку­ чести и сохраняют форму при напряжениях меньших предела текучести.

Находясь длительное время в подводном состоянии, грунты, залегающие в подошве уступа, разрабатываемого плавучими земснарядами, при взрыве испытывают напряжения, превышаю­ щие предел текучести, и, теряя свою структурную прочность, вы­ давливаются в воду, что предопределяет возможность обрушения верхних слоев уступа и их разрыхление при обрушении.

Учитывая изложенное выше, вес заряда для создания ослаб­ ления в основании уступа, разрабатываемого земснарядом, рас­ считывают по величине радиуса, на котором напряжения, возни­ кающие от взрыва заряда, превышают структурную прочность грунта.

Определять величину заряда на выброс призмы грунта в по­ дошве уступа, находящегося под 12—15-метровым слоем воды, представляется невозможным ввиду большого веса заряда, так как в этом случае необходимо учитывать сопротивление воды, которая при взрыве будет вести себя как упругое твердое тело, в результате длительного периода релаксации.

Взрывное обрушение при разработке грунтов гидромеханизи­ рованным способом производится обычно по двум технологиче­ ским схемам: ослабление основания уступа взрывом котловых зарядов, расположенных в подошве уступа (рис. 63, а), и ослаб­ ление основания уступа взрывом горизонтального цилиндриче­ ского заряда, расположенного в кровле уступа (рис. 63, б).

По первой схеме при диаметре скважины более 300 мм заряд ВВ размещается непосредственно в забое скважины. При диа­ метре менее 300 мм скважина простреливается для образования котла объемом, достаточным для размещения необходимого ко­ личества ВВ. При обводнении скважин за счет фильтрации воды из котлована землесоса необходимо применять водоустойчивые ВВ типа аммонита № 6 ЖВ, зерногранулита 30/70 и алюмотола. В сухих скважинах предусматривается использование ВВ типа зерногранулитов 79/21, игданитов и гранулитов.

В качестве средств взрывания можно применять электродето­ наторы в ДШ. Предпочтение отдается бескапсюльному взрыва­ нию, особенно при обводненных скважинах. Котловые заряды взрываются одновременно после образования оконтуривающей щели.

182

Обрушение уступа взрывом котловых зарядов, расположен' ных в его основании, не рекомендуется при наличии в уступе прослойков обводненных песков. В этом случае происходит оплывание и засыпка скважины, что затрудняет ее заряжание или не позволяет его производить.

Вес заряда при обрушении уступов, разрабатываемых плаву­ чими земснарядами, рассчитывается по величине радиуса, на ко-

Рис. 63. Схема рыхления грунтов обрушением уступа, разрабатываемого зем­ снарядом, взрывом котловых зарядов (а) и горизонтального заряда в кровле уступа (б).

тором напряжения, возникающие от взрыва заряда, превышают структурную прочность грунта.

Изучение параметров взрывных волн в связных грунтах по­ зволило получить закон затухания напряжений с расстоянием в виде выражения

а К г (IV. 15)

Здесь /Сир, — эмпирические коэффициенты, зависящие от плот­ ности и влажности грунта и симметрии заряда; г — приведенное

(IV.16) относительно г3, получим в общем виде зависимость ра­ диуса заряда, необходимого для разрушения грунта, от величи­ ны его структурной прочности:

183

Значения коэффициентов К и р, определяющих степень зату­ хания напряжений в грунтах, зависят от соотношения т] и сим­ метрии заряда. Соотношение г| является комплексным показате­ лем, который объединяет в себе сведения о фазовом составе грунта и одновременно характеризует величину связей между минеральными частицами. Этот наиболее достоверный критерий сопротивляемости грунтов динамическим воздействиям опреде­

ляется из выражения

Аппроксимация экспериментальных данных дает следующие аналитические выражения для коэффициентов К и р при взрыве

При взрыве зарядов тротила с осевой симметрией (удлиненные цилиндрические) экспериментальные данные аппроксимируются выражениями

рис. 64. Кривые построены для значений ri = 1,37ч-1,55, посколь­ ку этот диапазон практически включает в себя все связные грун­ ты, требующие разрыхления при разработке плавучими земсна­ рядами.

Величина показателя структурной прочности грунта а3 опре­ деляется по существующим методикам. Практически структур­ ная прочность грунта, требующего разрыхления при разработке плавучими земснарядами, находится в диапазоне 0,5<os< <2,5 дан/см2.

Вес любого котлового заряда может быть рассчитан по фор­ муле

(IV.23)

184