книги из ГПНТБ / Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах
.pdfпроиллюстрирована на примере проходки шурфа в условиях шахты «Байдаевская» (табл. 18).
Т а б л и ц а 18 Стоимость проходки шурфа
Затраты на проходку
|
|
|
|
1 пог. м , руб. |
|
|
Статья расходов |
|
|
обычным |
взрывным |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
способом |
способом |
Материалы |
|
|
15,5 |
10,1 |
|
Зарплата |
|
|
11,0 |
2,06 |
|
Неучтенные работы, начисления, |
|
|
|||
учитывающие доплату на от |
3,98 |
1,83 |
|||
пускные, выслугу лет и т. д. |
|||||
Всего |
прямые затраты |
услугами |
30,48 |
13,99 |
|
Всего |
с накладными, |
|
|
||
вспомогательных цехов, |
обще |
57,98 |
22,3 |
||
шахтными расходами |
и |
др. |
|||
Фактические затраты рабочей силы на 1 пог. м шурфа, прой денного взрывным способом, составляли 0,673 чел.-смены, обыч ным способом — 3,75 чел.-смены.
Согласно данным производственно-экспериментального уп равления по взрывным работам комбината «Кузбассуголь», на шахтах Кузбасса, в соответствии с рекомендациями авторов, пройдено около 50 лесоспускных, ходовых шурфов глубиной 20 пог. м и более, при этом трудозатраты были снижены в 7 раз по сравнению с обычным способом проходки таких шурфов, стоимость 1 пог. м уменьшилась в 2,7 раза, а темпы строитель ства увеличились в 5,5 раза.
Только прямая экономия средств от внедрения взрывного метода проходки шурфов составила около 45 тыс. руб., не счи тая экономического эффекта от увеличения темпов проходки и снижения затрат труда. Применяя методы безвороночной про ходки шурфов с учетом рекомендаций по новым, более прогрес сивным методам их закрепления, технико-экономические пока затели проходки шурфов взрывным способом можно значитель но улучшить. По данным Докучаевского флюсо-доломитного комбината, где были проведены промышленные испытания ме тодов проходки шурфов взрывом колонкового заряда, рассре доточенного в верхней части воздушными промежутками, и с применением у устья скважины накладного заряда, конструкция заряда с воздушными промежутками уменьшает размеры во ронкообразного уширения в устье полости в 1,5—2 раза по сравнению со сплошной конструкцией заряда при заполнении скважины ВВ доверху. Применение накладных зарядов позво лило получить открытые вертикальные полости без воронки выброса.
82
Исходя из научных достижений последних лет в области ис следования взрывного метода проходки горных выработок в сжимаемых грунтах и из опыта внедрения этого метода можно наметить следующие основные сферы возможного практическо го его приложения для проходки вспомогательных шурфов раз личного назначения, а также бремсберговых выработок, выхо дящих на поверхность при разработке верхних горизонтов уголь ных шахт; разведочных вертикальных, горизонтальных и нак лонных выработок; основных и вспомогательных выработок при разработке марганцевых, буроугольных, озокеритовых, россып ных и других месторождений; вспомогательных выработок на рудниках черной и цветной металлургии; дренажных, водоза щитных, сейсмозащитных и минных выработок на открытых горных работах; запасных выходов, вентиляционных штолен не большой протяженности, панельных, нарезных штреков при комбинированных системах разработки (вскрытие штольнями из карьера) в условиях пересеченной местности; шахт для уст ройства фундаментов ответственных сооружений, а также при строительстве подземных инженерных комплексов специально го назначения.
Для перечисленных объектов различного производственного назначения, традиционно строящихся в грунтах, речь идет о замене обычной технологии их возведения взрывной. Технико экономические преимущества последней позволяют рассматри вать вопрос о рентабельности устройства некоторых поверхност ных сооружений под землей со всеми вытекающими преимуще ствами по экономии дефицитных материальных и людских ресурсов, условиям эксплуатации и др. В частности, в ряде сель скохозяйственных районов экономически более выгодно устраи вать взрывными методами подземные фрукто- и овощехранили ща, емкости для воды и жидких удобрений. Во многих отраслях промышленности подземные сооружения невысокой себестои мости, построенные с помощью энергии взрыва, могут найти неограниченное применение в качестве камер для сварки взры вом, различных складских помещений, машинных камер, сан технических сооружений, различных испытательных стендов и др. Целесообразность их возведения в каждом конкретном случае определяется (при наличии соответствующих горнотех нических условий) технико-экономическими расчетами.
Практика строительства подземных хранилищ нефти и газа до настоящего времени ограничивается созданием лишь сфери ческих подземных сооружений временного характера путем мно гократного последовательного взрывания зарядов без после дующего закрепления. Между тем, будучи соединенными с днев ной поверхностью цилиндрическими горизонтальными или наклонными выработками, эти полости после закрепления могут стать постояннодействующими инженерными комплексами, до пускающими их многократное использование. Доступ к сфери
6* |
83 |
ческим полостям возможно осуществлять быстро и экономиче ски выгодно путем образования цилиндрических выработок энергией взрыва. Инженерные комплексы для этих целей могут не только быть образованы названным сочетанием выработок, а состоять из ряда сопряженных между собой вертикальных, наклонных, горизонтальных и сферических выработок, пройден ных взрывным методом. Эти комплексы могут найти широкое применение при строительстве доступных и постоянных (после закрепления) подземных хранилищ нефти, газа, воды и т. д.
Как уже упоминалось, большие перспективы имеет приме нение энергии взрыва на открытых разработках с мягкой вскры шей для управляемого обрушения высоких уступов. Известно [74], что для обрушения уступа необходимо ослабить его в кров ле и почве путем образования в подошве ослабляющей призмы, а в кровле — оконтуривающей вертикальной щели глубиной Ндо. Для взрывания как в подошве, так и в кровле уступа вполне допустимо применение игданитов, позволяющих значительно удешевить взрывные работы. В сочетании с различными кон струкциями зарядов] например, удлиненными вместо сосредо точенных, с воздушными оболочками) применением игданитов можно добиться весьма высоких технико-экономических показа телей по обрушению, разрыхлению, а в отдельных случаях и частичной транспортировке вскрыши. Так, по данным Л. Н. Мар ченко, стоимость 1 м3 выемки, полученной взрывом удлиненного заряда, на 25% меньше стоимости выброса сосредоточенным зарядом при увеличении глубины получаемой воронки более чем в 1,4 раза. Таким образом, применение рекомендуемых на ми схем взрывания подошвы обрушаемого уступа позволит намного повысить технико-экономическую эффективность по сравнению с применяемой технологией взрывания котловыми скважинными зарядами. Предварительные расчеты треста «Укрдорстройматериалы», принявшего к проектированию и внедре нию в производство рекомендации по переводу некоторых карьеров на разработку вскрыши сдвоенным уступом с управ ляемым обрушением пород взрыванием удлиненных зарядов в кровле и подошве уступа, показали, что себестоимость 1 ж3 вскрыши снижается на 25—30% при одновременном упрощении организации и ликвидации сезонности вскрышных работ. Поми мо обрушения горного массива энергия взрыва на карьерах с мягкой вскрышей может быть успешно применена для проход ки водопонижающих скважин в рыхлых породах, строительства дамб обвалования на обводненных участках, проходки кабель ных и водопроводных траншей и нагорных канав и других объек тов. По данным Раздольского горнохимического комбината, внедрение взрывных методов при разработке нескальных пород на карьерах комбината позволит сократить время на подготов ку таких выработок с одновременным увеличением сроков служ бы и значительно снизить затраты на их сооружение.
84
Результаты технико-экономического анализа показывают, что наряду с применением энергии взрыва в гидротехническом строительстве для перемещения горной массы возникают боль шие перспективы использования явления уплотнения связных грунтов под действием взрывного импульса для изменения филь трационных характеристик этих грунтов. Основываясь на ис пользовании фактора уплотняемости связных грунтов, можно рекомендовать целый ряд технологических схем образования выемок для транспортирования воды и осуществления различ ных противофильтрационных мероприятий. Резюмируя изложен ные соображения по возможным сферам приложения взрывных технологий в гидротехническом строительстве и в процессе экс плуатации оросительных систем, можно отметить следующие основные моменты:
1) проведенные исследования подтвердили целесообразность применения взрывных методов строительства ирригационных каналов, при которых одновременно производится уплотнение окружающего грунтового массива, что в несколько раз снижает фильтрацию воды;
2)подтверждена целесообразность уплотнения грунтовых массивов, окружающих существующие каналы, путем взрыва ния в воде;
3)найдены решения комплексной механизации работ по
получению каналов взрывным способом, в частности, помимо описанных в работе схем, для устройства траншей и укладки заряда может быть с успехом использована дреноукладочная машина конструкции Г. В. Родионова.
Учитывая, что взрывные методы уплотняют грунт в нижней части сечения канала, целесообразно разработать комбиниро ванную противофильтрационную защиту, сочетающую взрывное уплотнение с глиняными экранами (в верхней части сечения). Устройство последних может быть выполнено как механическим, так и взрывным способом.
Гла ва II
ВЗРЫВЫ НА ВЫБРОС
1. ЗАДАЧА О ВЗРЫВЕ ЗАГЛУБЛЕННОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ВЫБРОСА
Как известно, при взрыве возникают настолько большие дав ления, что в ряде случаев можно пренебречь сжимаемостью, прочностными и пластическими свойствами пористой среды, где происходит взрыв, а также возникшими при этом силами тре ния. Это относится в первую очередь к крепким горным поро дам, водонасыщенным глинам, торфам и пескам, в применении к которым результаты теоретиче ских исследований в рамках модели идеальной несжимаемой жидкости удовлетворительно совпадают с экс периментальными данными.
Применение уравнений гидро динамики при исследовании дей ствия взрыва в металлах [62] и крепких горных породах [ 15]
Рис. 26Общий вид области течения |
Рис. 27. Область |
измене |
грунта (области г). |
ния комплексной |
скорос |
|
ти движения. |
|
привело к решению ряда задач о поведении грунта после взрыва как идеальной несжимаемой жидкости [50, 61]. В част ности, в [61] исследуется задача о движении грунта после взры ва заглубленного цилиндрического заряда с помощью метода условного цилиндра выброса. В отличие от этого, рассмотрим решение задачи о взрыве заглубленного цилиндрического заря да в импульсной постановке М. А. Лаврентьева [62] методом кон формных отображений без ограничений, принятых при разра ботке условного цилиндра выброса или метода варьирования формы заряда.
Пусть на некоторой глубине h полупространства, занятого идеальной несжимаемой жидкостью, расположен горизонталь ный удлиненный цилиндрический заряд радиуса г0 (рис. 26).
86
На рис. 26 показаны и другие величины, определяющие форму
иразмеры воронки выброса.
Вматематической постановке задача сводится к нахожде нию комплексного потенциала
Ю(2) = (Р(*.„+*!>(*.„) |
(H.I) |
в области г, ограниченной свободной поверхностью MN и гра ницей воронки CD, принимаемой за твердую стенку [58]. Ищем решение при определенных граничных значениях действитель ной и мнимой частей:
Фив = — Ф0, 0 С ^ Us < |
|
|||
ф0 < |
Ф \BCD < |
0, ф \BCD — 0; |
^ ^ |
|
Ф |DE = |
0 >0 ^ Ф \DE ^ |
Фо’> |
|
|
Ф0 < ф IЕ А ^ |
ф |
= ф0, ) |
|
|
X |
|
|
|
|
где ф0 = П = Urn \ Р (t) dt — постоянное импульсное давление
Рр->о© J
Т-*0 0
на границе |
заряда |
со |
средой, |
дан-сек!ж2; Р — давление, дан/м2-, |
х — время, сек-, р — плотность жидкости, кг/м3. |
||||
Легко |
видеть, |
что |
область |
комплексного потенциала при |
граничных условиях (П.2) изобразится прямоугольником. Ана логично работе [58] предположим, что на границе воронки CD скорость движения частиц постоянна и равна некоторой крити ческой величине С*, характерной для данной среды. Она легко определяется из лабораторных экспериментов по методике О. Е. Власова [15] из условия равенства кинетической энергии единицы массы грунта удельной работе разрушения. Как след ствие принятого постоянства импульсного давления вытекает, что на границе заряда со средой скорость равняется постоянной величине v0, которая определяется по одной из методик [15, 67], а направление совпадает с направлением внешней нормали к поверхности заряда. На свободной поверхности DE скорость определяется, аналогично работе [15], в соответствии с условием несжимаемости жидкости после взрыва цилиндрического заря да с учетом эффекта отражения взрывных волн от свободной поверхности, а направление ее вертикальное; на линиях тока ЕА и ВС скорость направлена вдоль этих линий. Исходя из та ких соображений легко построить годограф скорости движения частиц грунта, а следовательно, и область комплексной скорос ти (рис. 27), которая является зеркальным отражением годо графа скорости относительно оси абсцисс.
Для решения задачи методом конформных отображений вводим функцию комплексной скорости,
dz
ф- iV— 1" ''
и для построения области изменения этой функции запишем граничные условия для действительной и мнимой частей:
u ' \ a b = |
—«5, — -f- < V \ AB |
(и' = lnn0— Inc*); |
|
|
|
|
|
О, |
V|ac = - |
i ; |
} (П.4) |
||
“'l CD = |
0, |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
W0 < “ 1лЕО < 0, |
^ |л£ — |
|
|
|
|
|
|
№ |
Z |
! г |
|
в |
|
|
Z |
в |
^ |
. |
||
у^/////////^/ш ^ |
|
р р р щ ж щ |
|
|||
« :'У |
1 |
|
* " |
elji) |
|
|
Рис. 28. Расположение точек области |
со на вспомогательных плоскостях |
|||||
|
|
£ (а) и 0 |
(б). |
|
|
|
Из приведенных граничных условий (П.4) вытекает, что иско мая область WK имеет вид прямоугольника. Применяем метод конформных отображений. Отобразим конформно вспомогатель ную полуплоскость £ (рис. 28, а) на область функции комплекс ной скорости с помощью преобразования [65]
^ = т е |
(IL5) |
где F(^, /п )— эллиптический интеграл первого рода; К(т) — полный эллиптический интеграл первого рода с модулем т, ко торый определяется из соотношения
К' (т') _ 2и0 |
. т _ |
|
К(т) |
л |
* |
где т '— ^Х—т2.
Используя этот же эллиптический интеграл, записываем
функцию, конформно отображающую |
вспомогательную |
полу |
плоскость (рис. 28, б) на область комплексного потенциала: |
||
Ю= г й [/Г(0’ ^ + /С^ ]- |
(п.7) |
|
Отобразим теперь полуплоскость /т ^ ^ О |
на IrriQ^Q с помощью |
|
симметризирующего преобразования [98] |
|
|
@_ тЧ + d |
(П.8) |
|
pm(l + d£)’ |
||
|
88
где
У 1—/л2 — У 1— /л2уг |
|
(И.9) |
||
т У 1 — т 2у2 + у У 1 — т 2 ’ |
|
|||
|
|
|||
л - ( l + m 2Y) + V ( l - m 2) ( l - m 2Y2) |
. |
1 |
d - m 2 |
m , n. |
1 + Y |
’ |
Y |
pm (1 — a) * |
(IL1°) |
После потенцирования (II.3) и интегрирования получим выражение
Е
|
|
|
|
|
|
2 = СГ» |
СemZ)w'e@'t d l |
|
|
(11.11) |
||
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
Учитывая соотношения (II.5), (II.7), (II.8), искомое решение |
||||||||||||
записываем в параметрическом виде: |
|
|
|
|
||||||||
|
fq>o (т® — |
d«) |
(*__ |
|~ in |
|
1 _____________ dg |
|
|
||||
2 ~ |
к ' ( У |
) 1 т с , . } |
ехр I К ( т ) ^ |
|
(1 + d O Y ( 1— 02) ( 1 — |
р2©2) + |
||||||
|
|
|
|
|
|
1фЛ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
® = ЩГ') |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@_ |
|
+ d |
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
pm(l + dQ’ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сх = — ih |
|
«Р0 (m2 — d2) Г* |
in |
_ |
I |
dt |
-------- |
|||||
|
К ' (р') pmC* J eXp |
|
(Z, mV------------ |
|||||||||
|
|
|
К (m) |
i (1 + |
d£)2 V (1—0)2(1—p20 2) ’ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
(11. 12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Глубина |
воронки |
E C = H и ширина |
ED = R определяются из |
|||||||||
соответствия точек С и D в плоскостях z и £ соответственно: |
||||||||||||
Я = |
Ф0 К — d2) |
e |
x |
P |
|
(1 + |
d£)2 (/ (1 — 02) (1 — p20 2) |
+iCx, |
||||
/С' (р') pmC* J |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(11.13) |
|
ир (m2 - |
d 2) Г |
|
Г ш |
|
|
|
|
|
+ cv |
||
/? — — -----------\ exp |
-------F(Z,m) |
|
d£)2 У (1 — ©2) (1—(i20 2) |
|||||||||
К ’ (p') p m C * J |
* 4 КК (m) v |
'JJ(1 + |
|
|||||||||
где 8 |
и Ci определяются по формулам (П.8) |
и (11.12). |
(11.14) |
|||||||||
|
||||||||||||
Таким образом, в результате теоретического решения задачи получены формулы, позволяющие при известных величинах им пульсного давления П, критической скорости скольжения С* и скорости движения частиц на границе заряда со средой Уо
89
определить основные параметры воронки выброса: радиус во ронки и видимую глубину. Знание этих величин позволит с боль шей точностью, в сравнении с эмпирическими формулами, про изводить расчеты при взрывных работах в соответствующих горногеологических условиях.
2.ЗАТУХАНИЕ ДЕТОНАЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЗАРЯДОВ
ИИЗМЕНЕНИЕ СЕЧЕНИЯ ВЫЕМКИ ПО ДЛИНЕ
Применение игданита [32] в удлиненных зарядах диаметром 100—200 мм приводит к заметному снижению скорости дето нации и сопровождается уменьшением сечения взрывной выем ки по длине и размеров уплотненных зон вокруг этих вырабо ток [40, 87].
На практике применения ВВ важное значение имеет величи на скорости детонации, которая зависит от таких факторов, как диаметр заряда, его плотность, наличие и характер оболочки, размеры частиц ВВ, начальный импульс и т. д. Кроме указан ных факторов на процесс детонации при определенных условиях могут оказывать влияние физическая структура ВВ, наличие примеси, температура, давление в порах между частицами и т. д. Такое множество факторов требует длительного и всесторонне го изучения процесса распространения детонации в удлиненных зарядах игданита. До настоящего времени этот вопрос недоста точно изучен, хотя некоторые авторы [5, 53, 71, 95] пытались установить причины затухания детонации грубодисперсных ВВ. Испытания, как правило, проводились в лабораторных условиях, не соответствующих условиям производства промышленно-экс периментальных работ, поскольку в практике взрывных работ размеры заряда превосходят в десятки и сотни раз те, которы ми оперируют в лабораторных экспериментах. Кроме того, имеет значение характер оболочки: ее масса, прочность, ненарушенность структуры, а также величина и мощность инициато ра. Эти вопросы требуют большого внимания в связи с разви тием взрывных способов строительства ирригационных соору жений, основанных на применении удлиненных траншейных за рядов, обеспечивающих равномерное уплотнение дна и стенок канала.
На первом этапе экспериментальных работ исследовался характер зависимости скорости детонации удлиненного заряда игданита от его диаметра и процесс затухания этой скорости по его длине.
Во всех опытах использовался игданит состава 94,5%: 5,5 [41]. Для приготовления игданита применяли гранулированную аммиачную селитру, влажность которой составляла в среднем 0,8%, и дизельное топливо. При смещении указанных компо нентов аммиачная селитра тщательно разрыхлялась. Получен
90
ную смесь засыпали в полиэтиленовые рукава. Плотность игданита в зарядах колебалась в пределах 0,96—1,05 г/см3.
Согласно разработанной методике, заряды изготовлялись длиной 2 м и диаметром d3, равным 0,1; 0,12; 0,15; 0,20 м. Заря ды закладывались в траншею на глубины, рассчитанные по показателю действия взрыва п = 2,5. Величина скорости детона ции D определялась по времени прохождения фронта детона ционной волны через определенный участок заряда.
Рис. 29. Схема измерений ско |
Рис. 30. Эквивалентная схема |
|||||||||
рости детонации в полевых ус |
запуска |
развертки |
осциллогра |
|||||||
|
ловиях: |
|
|
фов: |
|
|
|
|||
1 — взрывная |
линия; 2 — электро |
R1 — сопротивление |
ионизацион |
|||||||
детонатор; 3 — заряд ВВ с патро |
ного промежутка в момент прихода |
|||||||||
ном-боевиком 3-а; |
4 — ионизацион |
взрывной |
волны; |
R2 — сопротивле |
||||||
ные датчики запуска; 5 — ионизаци |
ние |
ионизационного |
датчика |
до |
||||||
онные |
датчики срыва; 6 — блок за |
взрыва; R 3 — входное сопротивление |
||||||||
пуска |
развертки; |
7 — измерители |
осциллографа; |
R4 — ограничиваю |
||||||
времени ИВ-13м; |
5 — стабилизатор |
щее |
сопротивление; |
Cl — распреде |
||||||
напряжения; |
9 — электростанция; |
ленная емкость |
кабельной |
линии; |
||||||
10 — аккумулятор |
для питания эле |
С2 — накопительная |
емкость; |
К — |
||||||
ктромагнитов |
фотоаппаратов. |
условно |
замыкаемый |
при |
взрыве |
|||||
|
|
|
|
|
|
контакт. |
|
|
||
Для регистрации интервала времени использовались серий ные промышленные измерительные приборы ИВ-13м со спи ральной разверткой. Такие приборы позволяют измерить время между моментами запуска спиральной развертки и срыва ее, что соответствует приходу фронта детонационной волны к месту установки ионизационных датчиков запуска и срыва (рис. 29).
Ионизационные датчики представляют собой два изолиро ванных друг от друга проводника. Перед взрывом сопротивле ние между проводниками должно быть не менее 150—200 ком, а расстояние между проводниками каждого датчика — не бо лее 0,5 мм, в противном случае схема запуска не выдает напря жения, достаточного для запуска развертки. Практически для изготовления такого датчика плотно свивались два монтажных провода и концы их обрезались. В момент, когда детонационная волна достигает места установки датчика, сопротивление меж ду его проводниками резко падает с 200 до 35—40 ком. Запуск
91