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

рушения отдельных узлов комплекса или даже завала отдель­ ных выработок в результате взаимодействия ударных волн. Осо­ бенно опасны в этом отношении волны разрежения. В месте сопряжения выработок должно выполняться неравенство ^пол^ где ^пол — время образования полости; /и — интервал за­ медления между взрывами зарядов. В таком случае наличие в

Рис. 21. Комплекс, состоящий из сферической полости и горизонталь­ ной выработки.

полости большого избыточного давления продуктов детонации нейтрализует встречные ударные волны.

В описанном выше взрыве одновременный приход ударных волн в точку сопряжения выработок регулировался длиной де­ тонирующего шнура, что являлось в известной мере приближен­ ным методом и повлекло за собой некоторое обрушение стенок выработок в месте их сопряжения.

Третьим видом комплекса сооружений (рис. 21), технология образования которого была опробована, была сбойка сфери­ ческой полости, полученной взрывом камуфлетного заряда, го­ ризонтальной выработкой со свободной поверхностью (бортом уступа). Технология получения этого комплекса предусматри­ вала две стадии. Первая (рис. 21, а) — бурение вертикальной скважины до отметки 10 м, опускание заряда длиной 6,7 м с расходом ВВ 2 кг/пог. м с таким расчетом, чтобы верхний торец заряда находился на отметке 3,3 м от свободной поверхности. На этой отметке располагался сосредоточенный заряд весом 2 кг. Инициирование происходило со стороны сосредоточенного заряда. В результате взрыва была получена сферическая ка-

72

муфлетная полость диаметром 1,8 м. На второй стадии со сто­ роны уступа бурилась горизонтальная скважина до пересечения со стенкой сферической полости длиной 6,1 м, ив нее помещался заряд весом 6,1 кг. Инициирование заряда осуществлялось со стороны устья скважины (рис. 21, б). В результате взрывов за­ рядов образовался комплекс выработок, состоящий из сфериче­ ской и горизонтальной полостей, размеры которых почти совпа­ дают с размерами уже описанных выработок (рис. 21, в). Стен­ ки выработок, как и при предыдущих взрывах, были разбиты трещинами, но сохраняли свою устойчивость. Поскольку экс­ перименты по сопряжению выработок проводились в глинах, обладающих большой вязкостью и хорошо поддающихся уплот­ нению, рекомендовать испытанные технологии для других, менее вязких грунтов было бы преждевременно, хотя принципиально, по-видимому, они будут мало чем отличаться. Для выявления наиболее приемлемых технологий в отличных от описанных грунтовых условиях требуется проведение дополнительных на­ турных опытов. Кроме того, для выдачи окончательных реко­ мендаций по проектированию и проведению комплексных ин­ женерных сооружений требуется проверка влияния масштабно­ го фактора при переходе на выработки повышенных размеров.

Экспериментами в натурных условиях доказана принци­ пиальная возможность получения взрывами зарядов в грунтах различных сочетаний выработок, которые могут служить в ка­ честве основы комплексных инженерных сооружений.

При получении полостей взрывами цилиндрических верти­ кальных зарядов либо образуется надполостной целик значи­ тельных размеров, который нужно проходить механическими средствами, что экономически невыгодно и технологически за­ труднительно, либо с уменьшением надполостного целика на­ блюдается такое нежелательное явление, как воронкообразование,— получается воронка выброса, диаметр которой намного превосходит диаметр полости. Для прохождения, например, вертикальных шахтных стволов наиболее желательный резуль­ тат действия взрыва цилиндрического заряда — получение вер­ тикальной выработки постоянного диаметра вплоть до свобод­ ной поверхности.

Для борьбы с воронкообразованием при уменьшении надпо­ лостного целика предлагаются различные технологические прие­ мы. Проведем расчет компенсационного сферического заряда, взаимодействующего с заданным вертикальным цилиндричес­ ким зарядом, глубина заложения которого меньше соответству­ ющей глубины при его камуфлетном действии.

Как известно из практики взрывных работ, после взрыва камуфлетного цилиндрического заряда образуется полость, имеющая вид цилиндра, сопряженного в приторцовых частях с полусферами. Это позволяет выделить в цилиндрическом за­ ряде три части (рис. 22) — две торцовые AB — CD, которые на­

73

зовем эффективными сосредоточенными зарядами, и часть ВС, которая после взрыва всего заряда дает цилиндрическую часть

полости.

При вертикальном расположении цилиндрического заряда в направлении к свободной поверхности будет действовать эф­ фективный сосредоточенный заряд. Для дальнейших расчетов необходимо определить вес эффективного заряда через погон­ ный вес исходного цилиндрического заряда. Радиус полусферы

равен радиусу цилиндра Rc= Rv, (рис. 23). По результатам опы­ тов по взрыванию цилиндрических и сферических зарядов были получены следующие зависимости радиусов цилиндрической и сферической полостей соответственно от погонного Сп и общего С веса:

Расположение центра сферического заряда определим по фор­ муле

Как видим из (1.146), значение CD определяется погонным весом заряда и не зависит от длины. Таким образом, по фор­ мулам (1.145) и (1.146) можно находить соответственно вес и положение центра эффективного сферического заряда.

Ввиду того что при взрыве вертикального цилиндрического заряда на образование воронки тратится только энергия эффек­

74

тивного сферического заряда, далее в задаче об уменьшении надполостного целика имеет смысл рассматривать только пос­ ледний заряд, вес которого определяется по формуле (1.145).

Итак, указанная задача свелась к следующей. Наименьшая глубина заложения эффективного сферического заряда С, при его камуфлетном действии равна Я ь Потом этот заряд закла­ дывается на глубину Я2, при этом # 2< # ь т. е. заряд будет действовать на выброс. Чтобы выброса не произошло, заклады­ вается второй сферический заряд выброса С2 (C2< C i) на глу­ бину Я3. Требуется определить величину заряда С2 в зависимос­ ти от С1и Я2.

Разрушения производит взрывная волна. Пусть при каму­ флетном взрыве заряда Сi на глубине Нх в точке Р, располо­

где гх— радиус заряда Сх.

При глубине заложения заряда Сь равной Н2, напряжение в точке Р, создаваемое взрывной волной, будет

(1.148)

Взрыв заряда С2 создает в точке Р напряжение

о2 = К

где г2— радиус заряда С2.

Камуфлетность взрыва заряда Сх будет обеспечена в том случае, если результирующее напряжение будет равным <Уд, т. е.

При камуфлетном действии заряда С\ справедливо соотноше­ ние Ci— f(q, п)Н I3, где f(q, п) — функция действия камуфлетного взрыва, ее значения для глин и суглинков колеблются в

пределах 0,03—0,07.

Компенсационный заряд выбирается из той предпосылки, что в результате его взрыва образуется воронка радиусом

75

зарядов С] и С2. Запишем законы распространения фронтов взрывных волн

где А и b — экспериментальные коэффициенты; Ri и R2— рас­ стояния от соответствующих центров зарядов до точки Р.

Учитывая одновременность взрыва заря­ дов, находим соотношение между расстояни­ ями

Выразим в соотношении (1.149) все расстояния через h:

6—1

76

\ (1-154)

Подставим соотношения (1.155) в выражение (1.149) и получим, учитывая, что радиус сферического заряда пропорционален корню кубическому веса заряда,

или

(1.157)

Если обозначим

(1.158)

77

и подставим (1.158) в (1.157), то получим окончательно для вы­ соты поднятия цилиндрического заряда

h = С6Я4.

Итак, для определения высоты поднятия цилиндрического за­ ряда погонным весом Сп для уменьшения надполостного целика нам необходимо знать коэффициенты /Ci и /Сг, входящие в фор­ мулы (1.144) и (1.145), с помощью которых находят размеры соответственно цилиндрической и сферической полостей в дан­ ном грунте, а также р и Ь, определяющие закономерность рас­ пространения сферической взрывной волны по формулам (1.147)

и (1.151).

6. ВОЗМОЖНАЯ ОБЛАСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ КАМУФЛЕТНЫХ ВЗРЫВОВ В СВЯЗНЫХ ГРУНТАХ

Рассмотренным выше способом можно получить горные вы­ работки небольших поперечных размеров, шахтные стволы и целые подземные сооружения, состоящие из комплекса верти­ кальных, наклонных и горизонтальных выработок различных поперечных размеров и протяженности. Разработка и внедрение взрывных технологий развивались в направлении поэтапного освоения сначала более простых, а затем усложняющихся тех­ нологических схем и методик, что приводило к постепенному увеличению параметров полученных полостей и расширению сферы практического их приложения. Разная степень сложности взрывных технологий образования полостей в зависимости от требуемых параметров привела к тому, что в настоящее время эти технологии находятся на различной стадии промышленного освоения — от широкого внедрения в ряде отраслей народного хозяйства (когда речь идет о шурфах небольшого сечения) и единичных случаев применения метода получения шахтных ство­ лов больших параметров до научных разработок и прогнози­ руемых проектных схем в случае использования энергии взрыва при создании инженерных комплексов. Научные эксперименты,, полупромышленные испытания и практика применения взрыв­ ного метода в разных условиях для различных технологических целей свидетельствуют не только о его пригодности, но и о вы­ сокой технико-экономической эффективности. Так, в процессе внедрения способа для строительства колодцев глубиной 20 м получена производительность, в 17—20 раз превышающая про­

78

изводительность ручной проходки колодцев при одновременном значительном снижении стоимости. В табл. 15 приведены сравнительные технико-экономические показатели по проходке горных выработок различного диаметра обычным и взрывным способами.

Весьма важным показателем при сравнении методов проход­ ки горных выработок является расход рабочей силы. Вопросы экономической эффективности применения энергии взрыва при получении полостей были рассмотрены в [24], поэтому их пов­ торное изложение нецелесообразно. Следует лишь указать на значительно возросшие потребности в подземных емкостях раз­ личных характера и назначения, в частности для хранения неф­ ти, газа и других материалов.

В 1966 г. в США эксплуатировалось и строилось более 290 подземных хранилищ суммарной емкостью 120 млрд. м3. Потреб­ ность в расширении хранилищ в США огромна. Возникает необ­ ходимость сооружения искусственных подземных хранилищ, что может быть с успехом осуществлено с помощью ядерных взрывов. Схема подземного газохранилища, полученного таким способом, приведена на рис. 25. Согласно расчетам, на 1 кТ мощности заряда в крепких породах может быть получено до 3000 м3 пустот. За последние годы наметилась тенденция ис­ пользования ядерных зарядов для создания подземных полос­ тей, водохранилищ, нефтехранилищ и др. В табл. 16 приведены

79

данные по стоимости энергии, полученной при взрывании раз­ личных конструкций и мощности. Из этой таблицы видно, что ядерные взрывы экономичнее в сравнении с взрывами обычных химических ВВ в 15—1000 раз.

В табл. 17 приведены взятые из американской литературы данные по стоимости хранения газа в хранилищах, полученных

верхностных объектов. Геологоразведочные, горнорудные и угольные предприятия в

практической работе сталкиваются с необходимостью проходки большого количества разведочных шурфов небольшого сечения по третичным и четвертичным отложениям, глубина которых достигает 50 ж и более. Учитывая малый срок службы, отсут­ ствие дорог, отдаленность от источников снабжения материа­ лами и электроэнергией, а также сезонный характер работ, можно утверждать, что вопрос об увеличении скорости и сни­ жении стоимости проходки таких шурфов является весьма ак­ туальным. До настоящего времени проходка их осуществляется

Т а б л и ц а 16 Стоимость 1000 ккал энергии заряда, доллары

80

примитивным способом с разработкой породы вручную и подъе­ мом при помощи воротка в бадье незначительной емкости. Из-за большой трудоемкости работ разведочные шурфы в настоящее время закладываются преимущественно в местах с минималь­ ной мощностью наносов; участки с повышенной мощностью по возможности избегаются.

Т а б л и ц а 17 Емкость подземных газохранилищ и стоимость хранения газа

В этих условиях применение взрывного метода получения шурфов может дать значительный технико-экономический эф­ фект. Во многих случаях можно воспользоваться ранее пробу­ ренной разведочной скважиной и тогда проходка шурфа будет заключаться лишь в заполнении ее ВВ и взрывании. Большин­ ство разведочных шурфов, при условии проходки их взрывным способом, может использоваться незакрепленными или с креп­ лением только устья выработки. Не имеет существенного значе­ ния в этом случае и мощность насосов, поэтому закладку шур­ фов в условиях, пригодных для применения взрывного метода, можно осуществлять исходя только из производственной необ­ ходимости. Применение взрывного метода проходки шурфов глубиной 18—24 м в условиях Гвардейского района Алма-Атин­ ской области для вскрытия коренных пород позволило полу­ чить годовую экономию капитальных средств в сумме 48 тыс. руб. По полученым данным, взрывной метод позволяет значительно повысить производительность труда, снизить себе­ стоимость и сократить сроки проходки, следовательно, он заслу­ живает одобрения и может быть рекомендован для широкого распространения в геологоразведочных работах.

Весьма эффективным является применение взрывного мето­ да для проходки эксплуатационных шурфов (вентиляционных, лесоспускных, людских ходков и др.) на угольных шахтах и руд­ никах. Научно-техническая конференция по буровзрывным ра­ ботам на шахтах Кузбасса, отмечая высокую эффективность взрывного метода проходки шурфов по наносам, рекомендовала повсеместное внедрение его во всех случаях, где это позволяют горногеологические условия. Технико-экономическая эффектив­ ность применения этого метода на шахтах Кузбасса может быть