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

Вес заряда для обращения уступа, разрабатываемого плаву­ чими землесосами, определяется при подстановке значения г3 из

(IV. 14) в (IV.23) и замене R на IVn:

Так как значения экспериментальных коэффициентов определе­ ны при взрыве зарядов тротила, то формула (IV.24) примет вид

Обрушение взрывом горизонтального цилиндрического заря­ да по второй схеме особенно эффективно при наличии в основа­ нии уступа глин или тяжелых суглинков, которые под действием динамических нагрузок пластически формоизменяются и пред­ определяют обрушение уступов. Траншея для размещения удли­ ненного заряда проводится экскаватором типа Э-302 или Э-10011 в зависимости от глубины заложения заряда. В качестве ВВ при­ меняется зерногранулит 79/21, гранулит или игданит, который может быть изготовлен на месте смешиванием 94% аммиачной селитры и 6% дизельного топлива. Взрывание траншейного за­ ряда производится после проведения оконтуривающей щели. В случае создания последней взрывным способом взрывание траншейного заряда происходит с замедлением по отношению к взрыву зарядов, образующих оконтуривающую щель.

Обрушение уступа взрывом траншейного заряда, располо­ женного в его кровле, не рекомендуется в начале разработки карьера, когда не представляется возможным отвести землесос и напорный трубопровод на безопасное расстояние от разлета грунта, выбрасываемого при взрыве траншейного заряда.

Вес удлиненного горизонтального заряда для обрушения уступа, разрабатываемого плавучим земснарядом, определяется

185

Так как значения экспериментальных коэффициентов К и р определены при взрыве зарядов тротила, то формула (IV.28) принимает вид

Подставив среднее значение плотности прессованного троти­ ла и произведя умножение коэффициентов, получим

Расстояние от оси заложения заряда до нижней бровки усту­ па (см. рис. 42) определяется из выражения

Для ликвидации сопротивления отрыву грунтов в верхней части уступа и управления обрушением в кровле уступа прово­ дится отрезная щель, которая может быть образована взрывом траншейного заряда. Погонный вес заряда определяется глуби­ ной отрезной щели Яд0 и глубиной заложения траншейного заря­ да W:

Минимальная величина погонного веса удлиненного горизон­ тального заряда ограничена наименьшим радиусом заряда устойчивой детонации применяемого ВВ, что особенно имеет значение при применении взрывчатых веществ простейшего типа.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ РАБОТ ПО УПРАВЛЯЕМОМУ ОБРУШЕНИЮ

Обрушение уступов путем взрывания зарядов на выброс по­ род в основании уступа в вертикальных скважинах было приме­ нено на карьере ЮГОКа. Породы уступа высотой 10 м представ­ лены красно-бурыми суглинками и песками. Параметры буро­ взрывных работ для обрушения уступа были следующими: диа­ метр скважины 300 мм\ расстояние между скважинами 6,5— 7,0 м; СПП — 5,9—6,0 м\ вес заряда зерногранулита 80/20 в

186

скважине 100 кг. После взрыва зарядов произошел выброс по­ род в основании уступа с последующим его обрушением. Общий объем обрушенной массы составил 35 тыс. ж при удельном рас­ ходе ВВ 0,20 кг/м5. Обрушенная масса отгружалась экскавато­ ром ЭКГ-4 при искусственно заниженной высоте черпания до 3 ж. Таким образом был отгружен весь объем обрушенной мас­ сы и не было отмечено опасных условий работы экскаватора. Это подтвердило возможность взрывного обрушения высоких уступов и применения для погрузки малогабаритных машин.

Обрушение уступа с помощью взрывания зарядов на выброс в основании и трещинообразования в кровле уступа было приме­ нено на Чаплинском карьере. В основании уступа пробурили се­ рию наклонных скважин, а в кровле—вертикальных. Высота обрушаемого уступа составляла 17 ж, породы представлены чет­ вертичными суглинками и глинами. Параметры буровзрывных работ: диаметр скважин 100 мм; расстояние между скважинами в основании уступа 6 ж; расстояние между скважинами в кровле 3 ж; СПП — 4 ж; вес заряда выброса 40 кг; вес заряда на трещинообразование 20 кг. Заряды на трещинообразование взрыва­ лись с замедлением. В результате взрыва произошло обрушение уступа с хорошим рыхлением пород. Общий объем обрушенной массы составил 10,2 тыс. ж3 при удельном расходе ВВ 0,01 кг/м3. Обрушенные породы были отгружены экскаватором Э-605 при высоте черпания 6 ж.

Для управления процессом обрушения на Михайловском угольном карьере, где внедрена бестранспортная система разра­ ботки с обрушением высоких уступов, применялось взрывание зарядов на трещинообразование в кровле уступа. Породы усту­ па представлены суглинками и глинами. Высота обрушаемого уступа 32 ж. Параметры буровзрывных работ: диаметр скважин 150 мм; глубина скважин 6 ж; расстояние между скважинами 4 ж; вес заряда 10 кг.

В результате взрывания скважин в кровле уступа образова­ лась трещина, по которой происходило обрушение уступа. Этим обеспечивалось управление процессом обрушения и исключа­ лась возможность искривления фронта работ. При общем объеме обрушенной массы 75 тыс. ж3 удельный расход ВВ составил

0,003 кг/м3.

Обрушение уступов в забоях землесосных снарядов с помо­ щью подводных взрывов применялось на Аргунском гравийно­ песчаном карьере. Высота отрабатываемого уступа, сложенного плотной гравийно-песчаной смесью, составила в подводной части 6,5 ж. Заряды ВВ размещались в нишах, пройденных земснаря­ дом в основании уступа. Параметры взрывных работ: расстоя­ ние между зарядами 20 ж; глубина ниши 4,0—4,5 ж; вес заряда 20 кг. В результате взрывания зарядов по всему фронту происхо­ дило обрушение уступа, удельный расход ВВ при этом составил 0,08 кг/м3. Внедрение этого способа разработки позволило повы­

187

сить производительность земснарядов на 40% и получить значи­ тельный экономический эффект.

Обрушение и рыхление уступов высотой 13 м, разрабатывае­ мых плавучими земснарядами, производилось при строительстве дамбы Копетдагского водохранилища. На участке работы зем­ лесоса № 58 уступ обрушался в результате разрыхления грунта в основании уступа взрывом скважинных (котловых) зарядов. Бурение производилось станком УРБ-3. Диаметр скважины 600 мм. Прострелка скважин производилась зарядами аммонита № 6 ЖВ весом 2 кг. В качестве основного ВВ был принят игданит, изготовленный на месте путем смешивания 95% гранулиро­ ванной аммиачной селитры и 5% дизельного топлива. Иницииру­ ющее ВВ — заряд аммонита № 6 ЖВ весом 2 кг. После прост­ релки глубина скважины составляла 7—11 м. Величина заряда ВВ определялась по формуле (II.24), взрывание производилось одновременно. В результате взрыва произошло оседание уступа, на поверхности выявились три зоны его разрушения. В первой зоне, в радиусе 6—7 м, уступ разбит продольными и поперечны­ ми трещинами и разломами шириной до 30 см, во второй — по­ верхность уступа покрыта сетью открытых трещин шириной 10— 15 см; в третьей — трещины имеют раскрытие до 2 см.

Взрывом было обрушено и разрыхлено около 3,9 тыс. м3 грунта. Одновременно было взорвано 1300 кг игданита. Удель­ ный расход ВВ составил 0,34 кг/м3. Вследствие высокого уровня воды в котловане землесоса (высота надводной части уступа составляла 3 м) и фильтрации верхних слоев грунта скважины заполнялись водой и путем прострелки их ее удалить не удалось. Есть основания полагать, что при зарядке скважин вода проник­ ла в аммиачную селитру и заряды сработали не полностью. Этим можно объяснить несколько повышенный удельный расход ВВ. Качество разрыхления грунта при обрушении проверялось путем взятия проб пульпы при сливе ее на карту намыва. Анализы по­ казали, что содержание твердой фазы в пульпе увеличилось до 16—20%, причем почти половйну ее составляли глинистые части­ цы. Это свидетельствует о том, что разрыхлению подвергалось основание уступа, поскольку грунты в верхней части были пред­ ставлены песками и легкими суглинками.

На участке работы землесоса № 56 для обрушения уступа была применена схема взрывания траншейного заряда, разме­ щенного в кровле уступа. Траншея была пройдена экскаваторомдраглайном Э-10011 на расстоянии 6,5—10 м от верхней бровки уступа. Высота уступа составляла 15 м, в том числе надводной части — 3 м. Расчет заряда производится по радиусу, в преде; лах которого напряжения от взрыва заряда превышали струк­ турную прочность грунта в основании уступа.

Для увеличения времени действия взрыва на грунт была при­ нята конструкция заряда с воздушным промежутком. Заряд за­ ложили на глубину 3,7 м. Средний погонный вес заряда составил

188

41 кг/пог. ж. Одновременно было взорвано 700 кг ВВ. Взрывание производилось ДШ, двойная нить которого пропускалась по все­ му заряду. |

В результате взрыва уступ осел на 4 ж на расстоянии 9—18 ж от бывшей верхней бровки уступа. Поверхность уступа покры­ лась сетью трещин, что свидетельствовало о хорошем качестве рыхления. Замеры глубины котлована после взрыва (средняя глубина равнялась 4,5 ж на расстоянии до 10 ж от уступа) пока­ зали, что в результате разрушения связей грунта в основании уступа произошло его обрушение с рыхлением всего массива. Взрывом траншейного заряда было обрушено при хорошем каче­ стве рыхления около 3,8 тыс. ж3 грунта. Удельный расход ВВ со­ ставил 185 г/м3.

Взрывное обрушение и рыхление уступа при намыве дамбы Хаузханского водохранилища производилось на одном из грун­ товых карьеров СМУ «Хаузхангидрострой». На участке работы землесоса № 70 для разрыхления грунтов была применена схема обрушения уступа взрывом траншейного заряда, размещенного в кровле уступа. Высота уступа составляла 14 ж, в том числе надводной части — 3 ж. Траншея глубиной 3,5 ж была пройдена экскаватором-драглайном Э-10011 на расстоянии 7—10 ж от верх­ ней бровки уступа. Заряд рассчитывался по радиусу, в пре­ делах которого напряжения от взрыва заряда превышали струк­ турную прочность грунта в основании уступа согласно формуле (IV.29). Погонный вес заряда составил 50 кг игданита. Игданит изготовлялся в траншее путем заливки дизельного топлива в разрезанные мешки аммиачной селитры в пропорции 6:94 соот­ ветственно. Инициирование заряда производилось ДШ, двойная нить которого прокладывалась по всей длине заряда, и проме­ жуточными инициирующими зарядами аммонита № 6 ЖВ: об­ щим объемом 42 кг.

В результате взрыва произошло обрушение массива объемом 460 ж3, разрыхлилось с разрушением структурных связей 5,6 тыс. ж3. Общий объем разрыхленного грунта составил более 6 тыс. ж3. Качество разрыхления хорошее. Удельный расход ВВ — около 0,27 кг/м3 при стоимости 4,6 коп/м3. При обрушении было заметно оседание уступа, поверхность которого покрылась сетью трещин различного раскрытия — от 15 до 2 см.

3. ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ГРУНТОВЫХ откосов

ПРИ ДЕЙСТВИИ ВЗРЫВНЫХ НАГРУЖЕНИЙ

Нижняя часть выемки, полученной взрывом горизонтального цилиндрического заряда выброса в неводонасыщенных связных грунтах, как и камуфлетная полость, получаемая взрывом, со­ гласно приведенным выше экспериментальным данным окруже­ на областью уплотненных пород. В соответствии с эксперимен­ тальными исследованиями прочностных показателей грунтов в

189

зоне взрывного уплотнения следует считать, что непосредственно к нижней части выемки примыкает часть зоны уплотнения — зо­ на 1 (рис. 65, а), в пределах которой отмечается значительное повышение сцепления: в 2—2,6 раза непосредственно у откоса выемки по сравнению с первоначальным значением у внешней границы зоны. Менее значительно изменяется в пределах этой зоны угол внутреннего трения. У внутренней границы зоны он также несколько повышен (в 1,2—•1,4 раза), у внешней н е ­ сколько понижен. Описанная зона распространяется в глубь мае*

N

Рис. 65. Изменение прочностных показателей грунта в уплотненной зоне:

сива по горизонтали на расстояние, составляющее 35—40 радиу­ сов заряда в связных грунтах весовой влажностью до 12—14% и 40—45 радиусов в более влажных грунтах. Далее следует зо­ на 2, где сцепление и угол внутреннего трения несколько сниже­ ны. Минимальные значения сцепления — до 0,6—0,8; коэффи­ циенты внутреннего трения — до 0,9—1,0 первоначальных вели­ чин. Минимальное снижение имеет место в центре зоны. Описан­ ная зона распространяется до расстояния, составляющего около 120—130 радиусов заряда в сухих и 150—160 в более влажных грунтах. На более отдаленных расстояниях от выемки заметных изменений прочностных показателей не происходит (зона 3). На­ конец, к верхней части выемки примыкает зона 4, где уплотнение грунтов отсутствует. В верхней, примыкающей к земной поверх­ ности части этой зоны возникает разупрочнение и разуплотнение пород.

На рис. 65, б приведены кривые изменений величин сцепления То* (/) и коэффициента внутреннего трения tg ф* (2) по сравне­ нию с начальными величинами to и в направлениях ОА\ или

ОА 2.

Непосредственно примыкающая к выемке область повышен­ ных прочностных показателей в основном определяет устойчи­ вость откосов взрывных выемок.

190

Круглоцилиндрическая поверхность скольжения пород, при­ мыкающих к откосу, как видно из рис. 65, а, полностью попадает в пределы зоны повышенных прочностных показателей. Расчеты показывают, что при показателе взрыва п > 2 нижняя часть по­ верхности скольжения (в пределах призм упора МК и KL) про­ ходит в пределах этой зоны, а при га>3 в эту зону попадает вся поверхность скольжения.

Указанное обстоятельство определяет повышенную по срав­ нению с такой же выемкой, полученной землеройными машина­ ми, устойчивость откосов, взрывных выемок в сухих грунтах. Ориентировочные расчеты показывают, что расчетный коэффи­ циент устойчивости откоса взрывной выемки tj*, представляю­ щий собой отношение суммы сил, удерживающих породы по упо­ мянутой круглоцилиндрической поверхности HR, к сумме сдви-

нию с расчетным коэффициентом устойчивости такой же выемки без учета уплотнения и изменения прочностных показателей в следующих пределах:

Непосредственные наблюдения показывают, что в сухих грун­ тах устойчивость откосов взрывных выемок значительно выше устойчивости откосов выемок, полученных техническим спосо­ бом. В отдельных случаях отмечается лишь осыпание верхней части откоса в пределах зоны разупрочнения пород.

Сложнее обстоит дело в связных грунтах высокой влажности (более 24—26%). Взрывание в таких грунтах вызывает явление тиксотропии. Экспериментальные исследования изменений проч­ ностных показателей этих грунтов при взрывных нагружениях не производились. Имеющиеся отрывочные данные свидетельствуют о том, что более или менее существенное повышение сцепления в породах влажностью 22—25% сопровождается значительным снижением угла внутреннего трения. У грунтов еще более высо­ кой влажности не отмечается и существенного повышения сцеп­ ления.

В то же время практика взрывания на выброс в водонасы­ щенных грунтах свидетельствует о том, что после первого взры­ ва, вызывающего тиксотропное разжижение и оплывание отко­ са, второй взрыв, как правило, дает выемку с устойчивым отко­ сом. Действие этого повторного динамического нагружения тре­ бует изучения с проведением экспериментальных работ как в массиве, так и на образцах.

Приведенные данные об изменении условий устойчивости грунтовых откосов, подвергнутых действию динамических нагру­ жений, обоснованы главным образом результатами эксперимен­

191

тальных исследований изменений прочностных показателей

ваний.

Эксперименты первой серии проводились на образцах связ­ ных грунтов. Их целью было определение деформационных ха­ рактеристик связных грунтов при однократных ударных нагру­ жениях в условиях, идентичных взрывным нагружениям в мас­ сиве (при отсутствии оттока воды в момент нагружения). Был использован наиболее распространенный тип грунтов — сугли­ нок нарушенной структуры постоянного гранулометрического состава и объемного веса скелета. Начальная влажность грунта задавалась добавлением строго фиксированного количества воды с обязательным последующим контролем влажности. Под­ готовка образцов и схема проведения экспериментов по динами­ ческой Сжимаемости образцов существенно не отличались от описанных ® [27].

Импульсное нагружение осуществлялось ударом свободно падающего груза весом 100 кг с определенной высоты. Это обес­ печивало создание в образцах грунта различной влажности ко­ личественно практически одинаковых характеристик напряжен­ ного состояния, что позволяло изучить влияние влажности на особенности механического поведения грунта при динамическом воздействии. Характер напряженного состояния и его измене­ ние во времени определялись при помощи мембранных тензо­ датчиков, регистрировавших вертикальное щ и боковое Об Дав­ ление.

Размеры образцов грунта были выбраны такими, чтобы обес­ печивалась возможность, во-первых, пренебречь влиянием тре­ ния по боковой поверхности грунтовой обоймы на развитие де­ формаций и, во-вторых, рассматривать напряженное состояние образца как квазистатическое. Одноосная деформация образца регистрировалась фоторезисторным датчиком, обладающим ря­ дом неоспоримых преимуществ по сравнению с ранее применяв­ шимися тензометрическими, индукционными и другими датчика­ ми. Основные преимущества — это его безынерционность, неза­ висимость градуировочной кривой от частоты процесса, возмож­ ность регистрации «нуля» процесса, удобство градуировки, простота и надежность конструкции и работы. Устройство датчи­ ка сводится к следующему. В один торец цилиндрической обой­ мы устанавливается фоторезистор ФСА-2, на который падает пучок света от источника, расположенного в противоположном торце. В середине обоймы сделана щель с диафрагмой, жестко связанной с подвижным поршнем испытательной камеры. При деформации движущейся поршень вдвигает диафрагму в щель, тем самым уменьшая освещенность фоторезистора, что регист­ рируется на осциллограмме.

192

Образцы грунта после ударного воздействия испытывались на приборах Маслова—Лурье для определения остаточных ха­ рактеристик сцепления и угла внутреннего трения. Определяя по осциллограммам главные компоненты напряжений

личной начальной влажности. Экспериментальные данные о за­

что коэффициент бокового распора с ростом начальной влаж­ ности увеличивается, причем скорость его изменения зависит от содержания влаги в грунте. При малых значениях влажно­ сти коэффициент бокового распора при увеличении нагрузки до 10 кГ/см2 мало изменяется. Это характеризует грунт как твердое тело и показывает, что поведение грунта в этом интервале нагру­

личин, в 3,0—3,5 раза превышающих начальное, что свиде­ тельствует о переходе грунта в пластическое состояние. Даль­ нейший рост импульсного давления вызывает незначительный прирост |Х.

Увеличение начальной влажности приводит к резкому воз­ растанию скорости изменения коэффициента бокового распора, который достигает своего предельного значения, близкого, к единице, при значительно меньших урОЕ^нях импульсного нагру­ жения.

Установленная зависимость может иметь практическое зна­ чение в тех областях строительной практики, где имеет место импульсное воздействие на грунтовый массив. Направленное изменение влажности при известном уровне импульсного на­ гружения является одним из наиболее эффективных методов достижения максимального эффекта.

Следует остановиться на изменении коэффициента бокового распора при разгрузке. Характер этой зависимости отличен от аналогичной кривой на участке нагружения. Абсолютные зна­ чения р, при разгрузке при одинаковых уровнях импульсного напряжения, монотонно убывая, превышают величины р, кото­ рые грунт имел в процессе импульсного нагружения. При окон­ чании процесса разгрузки величины коэффициента бокового рас­ пора в 2—2,2 раза превышают начальные.

Как известно, в динамике грунтов в качестве математичекой модели грунтов принимается жестко-пластическое или упру­ го-пластическое тело с условием пластичности Прандтля—Ку­ лона или Мизеса—Шлейхера. Общий вид функции пластичности при динамическом нагружении имеет сложный характер, одна­ ко начальную ее ветвь можно описывать линейной зависимостью

ты, величина которых зависит от свойств грунтов и которые про­ порциональны соответственно внутреннему трению и сцеплению в недеформированном грунте.

Установление функции пластичности важно для решения за­ дач предельного равновесия грунтового массива при действии цилиндрической нагрузки. С этой точки зрения особенно важ­ ным в практическом отношении является определение коэффи­ циентов а и Ь, проявляющихся в деформированном массиве. Это создает предпосылки для обоснованного расчета устойчивости подземных и открытых выемок, полученных взрывными спосо­ бами. Поэтому наряду с изучением влияния начальной влажно­ сти на условие пластичности при нагрузке большое внимание было уделено определению вида функции пластичности при раз­ грузке.

Изменение начальной влажности значительно влияет как на вид, так и на параметры функции, пластичности. Эксперимен­ тальные данные приведены в табл. 41. Как видно из этих дан-

194