книги из ГПНТБ / Ханукаев, А. Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом

Если длина головной части падающей волны достаточно велика, а величина напряжений превышает предел прочности отрыву, то тре­ щины, идущие от поверхности (см. рис. 73), будут углубляться и до­ стигнут поверхности откольной воронки. В результате пересечения трещин, перемещающихся от поверхности в глубь массива, с трещиной ведущей к образованию откольной воронки, из последней оторвется несколько кусков.

По предельному расстоянию, соответствующему пределу проч­ ности породы растяжению (см. рис. 72), можно определить прибли­ женно предельное значение величины л. н. с., при которой образуется воронка:

W np = r/ 2.

Процесс образования взрывной воронки во многом аналогичен процессу образования откольной воронки. Отличия заключаются во влиянии полости с зоной первичного трещинообразования на поле

напряжений и на сопротивляемость отрыву, Полость с зоной пласти­ ческих деформаций и зоной первичных трещин уменьшает сопро­ тивляемость отрыву. Как показано в гл. IV, от полости, как от об­ наженной поверхности отражается волна, при этом максимальные растягивающие напряжения направлены под некоторым углом к л. н. с. Под этим углом развиваются трещины, ведущие к образова­ нию боковой поверхности взрывной воронки. К моменту подхода отраженной волны к полости давление газов в полости может ока­ заться достаточным для проникновения в образующиеся здесь тре­ щины и для сообщения породе, отрывающейся под действием отра­ женной волны, дополнительной скорости полета. Эта скорость мо­ жет быть весьма значительной при малых л. н. с.

На рис. 75 показана схема процесса разрушения с образованием откольной и взрывной воронки. Откольная воронка образовалась, главным образом, под воздействием отраженной волны, а радиаль­ ные трещины, расходящиеся от центра взрыва в сторону обнаженной поверхности и приводящие к образованию взрывной воронки, под воздействием падающей и отраженной волны.

120

Сопоставляя объемы разрушения в зоне первичного трещинообразования (7?тр = 8 -г ЮЛ0) под воздействием прямой волны с объе­ мами разрушения под действием падающей и отраженной волны можно прийти к выводу, что в крепких монолитных породах разру­ шение большей части объема обусловлено действием прямой и отра­ женной волны на обнаженные поверхности. Важнейшим условием образования откольной и взрывной воронки является наличие обнаженной поверхности. Лишь при наличии последней реали­ зуется переход от напряжений к деформациям и смещениям на величину, превышающую пределы прочности растяжению и отрыву.

Разрушающее действие отраженной волны ограничивается обла­ стью между обнаженной поверхностью и полостью зарядной камеры. При наложении отраженной волны на прямую, распространяющуюся за полость зарядной камеры в глубь массива, величина растягива­ ющих напряжений оказывается всегда меньше предела прочности отрыву. Полезной частью энергии отраженной волны является энергия, расходуемая на трещинообразование, и энергия, расходуе­ мая на перемещение породы. Отрыв породы сопровождается транс­ формацией основной части полезной энергии в кинетическую. По­ этому остатка энергии отраженной волны, перемещающейся в глубь массива за пределы зарядной камеры, оказывается недостаточно для дальнейших разрушений.

Процесс разрушения массива крупноблочной структуры. В отли­ чие от монолитного массива массив крупноблочной структуры рассечен естественными трещинами различного направления, по­ этому шпур или скважина, как правило, пересекает одну или не­ сколько трещин. Последние являются границами преломления и отражения падающих волн. С увеличением степени раскрытия трещины большая часть энергии отражается, а меньшая преломляется в соседний блок или в соседнюю отдельность.

Опыты, сопровождавшиеся киносъемкой в поле трубы ИАБ-451,

ивеличина смещений увеличиваются, что ведет к смыканию щели.

Сувеличением числа естественных трещин в единице объема массива условия преломления волны в соседние блоки ухудшаются, так как значительная часть энергии теряется при отражении волны от тре­

щин. Кроме того, часть энергии продуктов взрыва прорывается по трещинам в атмосферу и количество энергии, переходящее в удар­ ную волну, уменьшается.

На рис. 76 показана схема уступа, рассеченного горизонтальными и вертикальными трещинами. Удлиненный заряд пересекается тре­ щинами и размещен в нескольких блоках. Схематически изображены положение фронта волны, отразившейся от границы одного из бло­ ков, в котором находился заряд, и положение фронта волны, пре­ ломившейся в соседние блоки.

121

Нетрудно представить, что места пересечения скважины с гори­ зонтальными боковыми поверхностями блока будут местами наиболь­ шей концентрации напряжений и что в первую очередь трещины должны расходиться от устья скважины. Однако, как было показано выше, развиваться будут в основном те трещины, направление кото­ рых совпадает с направлением фронта отраженной волны, распро­ страняющейся от обнаженной поверхности. Как было отмечено, на­ правленность трещин в сторону обнаженной поверхности обусловлена возможностью смещения массива на необходимую для разрушения величину.

Зона отрыва породы ограничивается обнаженной поверхностью и полостью зарядной камеры даже в том случае, когда за полостью*1

Рис. 76. Схема процесса разруше­ ния трещиноватого массива:

1 — зона первичного трещинообразования; 2 — зона трещинообразования у горизонтальной и вертикальной плос­ кости блока под действием прямой и отраженной волны; 3 — то же, у вер­ тикальной плоскости забоя; 4 — нераз­

рушенные отдельности

находится тектоническая трещина со степеныр раскрытости в несколько миллиметров. Эта трещина захлопывается под воздействием прямой волны, распространяющейся от центра взрыва за счет упру­ гих смещений. Деформации и перемещения в сторону указанной трещины оказываются меньше величины, необходимой для разру­ шений.

Из приведенной схемы видно, что в наименее благоприятных условиях разрушения находится средняя часть массива — блоки 4, так как они удалены и от заряда, и от обнаженных поверхностей. Эксперименты в моделях, сложенных из блоков различных пород, бетона и органического стекла, а также наблюдения в производствен­ ных условиях подтвердили изложенное о процессе разрушения массива пород крупноблочной структуры.

Процесс трещинообразования в отдельно взятом блоке, в котором размещен заряд, носил импульсивный характер. Трещины разви­ вались после подхода к их концам отраженной волны. Число импуль­ сов соответствовало числу воздействий отраженных волн, переме-

122

щающихся от одной грани к другой. Число пробегов отраженных волн в блоке зависело от абсолютной величины скважинного заряда* типа ВВ, геометрических размеров и свойств блока. Под воздей­ ствием падающей и отраженной волны от боковых граней могут* распространяться трещины, длина которых будет превышать длину трещин в зоне первичного трещинообразования. Особенно значи­ тельными по длине и интенсивности могут быть трещины, распро­ страняющиеся от устья шпура или скважины. Другой интересной особенностью процесса разрушения массива крупноблочной струк­ туры является неравномерность зоны первичного трещинообразова­ ния вдоль оси заряда при прямом инициировании. У точки иницииро­ вания заряда трещины реже и длиннее, чем в противоположном конце заряда. Это обусловлено различием в параметрах ударной волны по длине заряда. В точке инициирования ударная волна обладает боль­ шей длительностью и меньшим давлением, в противоположной — наоборот (см. также главу VI).

В работе [48] приведены данные о скорости хода трещин в от­ дельных блоках размерами 0,3—1 м3 при удельном расходе ВВ 0,2— 0,3 кг/м3. Скорость распространения трещин на поверхности блока без видимых трещин была равна (для гранита) 800—1200 м/с, а в бло­ ках с видимыми трещинами 1400—2000 м/с, что обусловлено повы­ шенной концентрацией напряжений на концах трещин. После рас­ крытия трещин скорость падала на 20—30%.

Размеры зон разрушения в крепких трудновзрываемых породах значительно меньше, чем в породах легковзрываемых и средней взрываемости. Это объясняется не только большей прочностью, но и меньшей степенью трещиноватости массива. В массиве с ярко выраженным направлением трещин зона дробления имеет эллипти­ ческую форму, при этом длинная полуось направлена в сторону меньшей частоты трещин, т. е. соответствует малой оси анизотропии трещиноватости. Отношение осей эллиптической зоны дробления в породах средней взрываемости составляет 1,2—1,4 [49]. Несмотря на большую частоту трещин, последние чаще всего сомкнуты или заполнены породой; в трудновзрываемых породах трещины имеют большую степень раскрытия, поэтому более резко поглощает энер­ гию волны. В работах [50, 51] показано, что с увеличением размеров естественных отдельностей выход негабаритных кусков увеличи­ вается.

В пластообразной залежи длина трещин, распространяющихся от центра взрыва, значительно превышает мощность отдельных слоев, из которых слагается пласт. С увеличением слоистости и числа трещин в единице объема влияние механической прочности на сопро­ тивляемость действию взрыва уменьшается и большее значение при­ обретает плотность массива.

Касаясь динамики перемещения отдельных частей массива, можно отметить, что при взрыве одиночного удлиненного заряда большую скорость перемещения имеет та часть, которая расположена по ли­ нии наименьшего сопротивления и в местах сопряжения обнаженных

123

поверхностей. При взрывании же серии скважинных зарядов на­ блюдается еще ^одна особенность. Перемещение породы имеет им­ пульсивный характер. Составленные по данным ускоренной кино­ съемки графики изменения скоростей смещений для скважинных зарядов диаметром 269 мм в габбро-диабазах приведены на рис. 77. Скорость перемещения породы на первом этапе достигала 20—25 м/с, падая до 12—15 м/с, на втором вновь увеличивалась до 15—20 м/с (по истечении 500—600 мс после взрыва). Максимум скорости по от­ ношению к началу сдвижения массива оказался смещенным (на 250— 350 мс). Возрастание скорости полета кусков на первом этапе сле­ дует объяснить действием отраженной волны; на втором — переходом

Рис. 77. Зависимость скорости пе­ ремещения взорванной породы от времени при взрывании скважин­ ными зарядами диаметром 270 мм:

1 , 2 — номера наблюдений

потенциальной энергии упругосжатой части массива, примыкающего к заряду, в энергию движения, а также действием продуктов взрыва, сообщающим кускам породы дополнительную скорость полета.

Указанные скорости перемещения являются средними для всей взорванной массы. Они значительно больше наблюдаемых для оди­ ночных зарядов. Увеличение скорости полета кусков при мгновен­ ном взрывании объясняется усилением поля скоростей смещений за счет взаимодействия волн соседних зарядов, а при короткозаме­ дленном способе взрывания уменьшением сопротивляемости отрыву

благодаря предварительному нагружению действием предыдущих зарядов.

Данные о зонах разрушений при ядерных взрывах. Данные о ядерных взрывах представляют интерес для выявления влияния абсо­ лютной величины заряда на размеры зон разрушений. Обобщенные сведения по ядерным взрывам позволяют предложить следующие зависимости для определения радиусов полости 7?пол, зоны пласти­

ческих деформаций 7?пл д и зоны первичного трещинообразования

R TP:

Я — кЯ

-"пол — гъх1о>

124

где к — коэффициент, равный 1,1; 2 и 3 соответственно для трудновзрываемых, средневзрываемых и легковзрываемых пород;

^пл. деф ^ 3,5/?пол, R rp ^ 6,5i?n0JJ.

Радиусы зон разрушений при ядерных взрывах до 10 кт не столь существенно отличаются от радиусов зон разрушений при взрыве обычных химических ВВ [52].

Ядерный взрыв с тротиловым эквивалентом 1,7 кт на глубине образует вокруг заряда полость за счет испарения, расплавления и уплотнения. К полости примыкает зона оплавленной породы. Тем­ пература в момент взрыва в центре полости достигает 1 000 000° С, а на поверхности полости 1200—1500 °С. Распространяющаяся ударная волна образует зону интенсивного дробления. К этой зоне примыкает зона трещинообразования, за которой распространяется

деформаций) и зоны трещинообразования определяются по известной формуле

R = к \ ^ Q , м,

где к — эмпирический коэффициент, значения которого приведены

Средние значения радиусов полости, зоны интенсивного дробле­

Радиус атомного заряда массой эквивалентной 1 700 000 кг тротила равен 6,3 м.

На расстоянии до 63 м от центра взрыва, т. е. до 10 R 0, как и при взрыве химических ВВ, наблюдалась ударная волна, скорость которой была на расстоянии 1 R 0 31,5; 1,5 R 0 — 5,5; 3R 0 — 4; 4R 0 — 3,6; 5R 0 — 3,3 и 10i?0 — 3 км/с.

125

или после подстановки в выражение (V.5) вместо г равное ему зна­ чение

rR0 = r6,3,

По истечении некоторого времени после взрыва часть породы устремляется в сторону полости и заполняет ее. Это объясняется тем, что плотность породы рАпосле полной разгрузки меньше на­ чальной р0 (или объем полости Vk меньше начального F 0). Уменьше­ ние плотности обусловлено расширением тела за счет разогрева под воздействием ударной волны. Изменение объема, или дилатансия, может быть вообще положительной или отрицательной, т. е. сопро­ вождаться увеличением или уменьшением объема. В большинстве пород в зоне пластических деформаций в начале процесса наблю­ дается уменьшение объема, а в конце — увеличение. Последнее часто приводит к образованию вокруг полости кольцевых трещин.

Предельная глубина при которой действие взрыва в туфе не ска­ зывается на поверхности, т. е. имеет место камуфлет, определяется по формуле

WK= 120 \ f Q , м

или после преобразований

WK«=* 23-f-25K0, м,

что согласуется с данными при взрыве сферических зарядов из обыч­ ных химических ВВ.

Как следует из табл. 20, около 27,3% энергии расходуется на ис­ парение и оплавление породы, около 68% — в зоне интенсивного

126

дробления и трещинообразования, т. е. в зоне пластических дефор­ маций и зоне первичного трещинообразования, и лишь 4,5% уносится волной напряжений за пределы зоны трещинообразования (далее 12/? 0). Эти данные хорошо согласуются с данными о переходе 60— 80% и более потенциальной энергии обычных ВВ в ударную волну

иволну напряжений.

§20. Классификация пород по характеру протекания процесса разрушения в зависимости от их акустической жесткости

Описанный выше процесс разрушения различных пород позво­ ляет предложить следующую классификацию для качественной оценки роли ударных волн, волн напряжений и продуктов взрыва в разрушении массива.

I г р у п п а — породы, разрушающиеся за счет энергии удар­ ной волны на первом этапе и за счет остаточного давления продуктов взрыва в зарядной камере на втором. В этих породах разрушения распространяются главным образом от центра взрыва. Разрушение, вызванное действием падающей и отраженной волны на обнаженные поверхности незначительно. Однако их роль в направленном дей­ ствии взрыва весьма велика, поскольку после отражения волны скорости смещений в эпицентре взрыва удваиваются, что ведет к раз­ витию полости и к выбросу породы по линии наименьшего сопроти­ вления. К этой группе относятся грунтовые массивы: пески, супеси, глины, суглинки. Акустическая жесткость этих пород не превышает

5■ 105 гс-см/см3-с.

II г р у п п а — породы, разрушающиеся под воздействием ударной волны, волны напряжений и продуктов взрыва. Разрушения распространяются как от центра взрыва, так и от обнаженной по­ верхности или естественных трещин к центру взрыва. Разрушения, распространяющиеся от центра взрыва, обусловлены действием ударной волны, волны напряжений и расширяющихся продуктов взрыва, проникающих в естественные и вновь образующиеся тре­ щины. Разрушения, распространяющиеся от поверхности к центру взрыва, — действием падающей и отраженной волны.

К этой группе относятся породы с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова / = 1 -f- 10, а также более крепкие, но сильнотрещиноватые с содержанием естественных от­ дельностей размерами, близкими к размерам кондиционных кусков.

действием ударной волны и волны напряжений. Роль продуктов взры­ ва в разрушении незначительна. По мере отражения волны от об­ наженной поверхности смещения и деформации увеличиваются,

127

наблюдается трещинообразование и отрыв породы, расположенной между обнаженной поверхностью и центром взрыва.

К этой группе относятся массивы крупноблочной структуры, их акустическая жесткость более 15• 105 гс-см/см3 *с.

§ 21. Процесс разрушения при добыче блочного камня и контурном взрывании

Физические явления при расколе блоков, добыче блочного камня и контурном взрывании представляют большой интерес для анализа физических явлений при разрушении твердых пород взрывом, так как в этих случаях разрушение сопровождается минимальными

з атратами энергии.

При расколе блочного камня объем зоны пластических деформа­ ций настолько незначителен, что затратами энергии на эти деформа­ ции можно полностью пренебречь. Крайне малы и затраты энергии на перемещение откалываемой части по сравнению с обычными ме­

тодами отбойки.

При расколе блоков и отделении блоков от массива имеет место квазистатическое воздействие продуктов взрыва на стенки шпура или скважины, так как только часть их сечения заполняется взрыв­ чатым веществом. Между зарядом и стенкой шпура или скважины оставляется зазор. Воздушный зазор или зазор, заполненный песком или водой, резко снижает величину давления. При квазистатическом воздействии длительность фазы сжатия сравнительно велика, а на­ пряжения малы. Раскол блока или отрыв блока от массива обычно происходит по плоскости, проведенной через ряд шпуров или сква­ жин.

Иногда часть пробуренных шпуров или скважин не заряжается, и их назначением является местное усиление напряжений и ослабле­ ние сопротивляемости породы растяжению.

При ручном — клиновом способе разделки блока на части в блоке пробуривают шпуры диаметром 25—35 мм, расположенные по линии намеченного раскола. Глубина шпуров не превышает 1/5—V6 высоты блока и обычно равна 20—25 см. Расстояние между шпурами около 20 см (рис. 78). В каждый шпур вставляют две стальные плашки и клин между ними (рис. 79). Несколько ударов по клиньям в по­ рядке возрастания номеров (например, от первого до десятого)

в указанной последовательности. Возникающие статические нагрузки достигают предела прочности отрыву, и блок распадается на части.

Раскол блочного камня таких же размеров может быть осущест­ влен взрыванием отрезков детонирующего шнура длиной 30—40 см, причем шпуры для размещения отрезков должны быть пробурены на глубину, соответствующую длине отрезков. Отрезки присоеди-

128