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

равна 532 кгс/см2, т. е. также больше предела прочности отрыву. Согласно рис. 58, длительность фазы сжатия волны напряжений при взрывании отрезков детонирующего шнура в шпурах, заполненных водой, больше, чем в шпурах с воздушным радиальным зазором, следовательно, больше и плотность потока энергии.

Интересной особенностью раскола блока на части детонирующим шнуром по сравнению с ручным — клиновым способом является то, что раскол, как правило, проходит по плоскости, проведенной через ряд шпуров. При ручном — клиновом же способе разделки плоскость раскола часто не совпадает с плоскостью, проведенной через ряд шпуров. Это объясняется влиянием анизотропии, наличием дислокаций и других, не замечаемых при наружном осмотре дефек­ тов. При медленном, статическом, нагружении начинает сказываться влияние местных дефектов, тогда как при динамическом, или квазистатическом, нагружении они не сказываются или влияют незначи­ тельно.

При динамическом, или квазистатическом, нагружении полость шпура является местом концентрации напряжений и местом, умень­ шающим общую сопротивляемость блока растяжению. Под дейст­ вием волн, отражающихся от боковых поверхностей, первоначаль­ ные трещины вдоль ряда шпуров усиливаются, затем достигают гра­ ниц блока и приводят к его развалу на части. Таким образом, квазистатический способ разделки штучного или блочного камня экономич­ нее и эффективнее ручного — клинового.

Эксперименты по электрогидравлическому взрыванию негаба­ ритных кусков породы являются наилучшим подтверждением вы­ вода о малых затратах энергии на разрушение при гладком расколе.

При расстоянии между электродами б—8 см, напряжении 10 000 В,

U— напряжение, равное 40 кДж или 4000 кгс • м, что эквивалент­ но 10 г тротила.

Этой энергии достаточно для дробления негабарита объемом 2 м3 на части без разлета кусков. Удельный расход составил 5 г/м3 вместо 400 300 г/м3 при обычном шпуровом методе отбойки. Параметры ударной волны в шпуре, заполненном водой, при указанном электро­ разряде оказались следующими: давление на расстоянии 20—22 мм от оси электрического разряда 17 000 кгс/см2, скорость фронта удар­ ной волны 2400 м/с. Эти значения имеют порядок величин, близкий к полученным при взрывании отрезков детонирующего шнура в воде.

Дробление негабаритных кусков с помощью электрогидравлического разряда в шпуре, заполненном водой, является весьма экономичным способом разделки с точки зрения минимального

130

расхода энергии на преодоление сил сцепления и на перемещение взорванной массы. При электрогидравлическом разряде предста­ вляется возможным регулировать энергию разряда изменением величины подаваемых напряжений, изменением расстояний между электродами и др.

Опыт «гладкого» взрывания общеизвестен. Наилучшие резуль­ таты достигнуты в гидротехническом строительстве. Для получения устойчивых стенок в основаниях плотин и котлованов применяют заряды уменьшенного диаметра. Патроны аммонита № 6 диаметром 32 мм прикрепляют к детонирующему шнуру и опускают в скважину диаметром 105 мм. Расстояние между скважинами в зависимости от крепости породы 1—1,5 м, а масса заряда в 1 м скважины соста­ вляет 0,5—1 кг при вместимости 8 кг. В качестве забойки исполь­ зуют воду или песок. В породах небольшой крепости оставляют воз­ душные зазоры.

Рассредоточение заряда по длине и наличие зазора между заря­ дом и породой приводит к квазистатическому воздействию и неболь­ шим напряжениям, но достаточным для преодоления сил сцепления (предела прочности отрыву) и отброса породы на небольшое расстоя­ ние. При этом способе взрывания, аналогично описанному выше, трещины от каждой скважины распространяются навстречу друг другу, соединяются между собой, отделяя породу от массива по пло­ скости, проходящей через ряд скважин. Направление трещин вдоль ряда скважин или шпуров обусловлено взаимодействием полей на­ пряжений смежных зарядов. Поскольку напряжения предшествуют разрушениям, то через сравнительно короткий отрезок времени после взрыва образуется поле напряжений, в котором результи­ рующая тангенциальная составляющей напряжений всегда перпен­ дикулярна линии ряда скважин или шпура (см. рис. 65). Время, необходимое для распространения трещины вдоль ряда скважин или шпуров, тем больше, чем меньше величина каждого заряда. Поэтому при квазистатическом воздействии условия образования и развития одной трещины вдоль ряда скважин или шпуров более благоприятны, чем при динамическом воздействии, поскольку с воз­ растанием величины и скорости нагружения вероятность образования большого числа трещин возрастает.

Для образования щели вдоль контура запроектированной выра­ ботки скважины или шпуры располагают по контуру будущей вы­ работки. В скважинах или шпурах размещаются заряды небольшого, диаметра, по сравнению с диаметром шпура или скважины. Благо­ даря квазистатическому воздействию взрыва на массив выработка оконтуривается замкнутой щелью.

Известно, что при добыче блочного камня применяют пороховые заряды, так как сплошные заряды бризантных ВВ могут привести к дроблению отделившейся породы на несколько кусков неправиль­ ной формы.

Пороховые заряды обладают небольшой скоростью детонации (800 м/с) и малой теплотворной способностью (700 ккал/кг). Заряды

размещаются в шпурах или скважинах диаметром 105 мм. Длина заряда обычно равна 1/3—V2 шпура или скважины. Расстояние ме­ жду шпурами или скважинами обычно 0,5 м. Диаметр заряда соот­ ветствует диаметру шпура или скважины. Однако и при таком спо­ собе взрывания выход блочного камня составляет всего 25—35% от взрываемого объема. Остальные 65—75 % оказываются раздро­ бленными и представляют отходы. Высокий процент отходов объяс­ няется не только естественными трещинами, анизотропией и дефек­ тами структуры, но и тем, что электродетонаторы взрываются неод­ новременно.

Известно, что время срабатывания электродетонаторов колеблется (при силе тока 1 А) от 2 до 4,5 мс (время нагрева мостика составляет около 1 мс, время нагрева воспламенительного состава 1—3 мс, время вспышки 0,1 мс, время полета продуктов взрыва до первичного инициатора 0,1 мс и время индукции первичного инициатора 0,3 мс). Это приводит к неравномерному воздействию зарядов на массив.

Рис. 80. Осцилограмма волны напряжений при взрывании по­ рохового заряда в шпуре без за­ зора в граните детонирующим

шнуром на расстоянии 25 см или 25Л о от центра взрыва

Повышения выхода блочного камня можно добиться снижением величины напряжений в породе, уменьшением длительности действия фазы сжатия до оптимальной величины и одновременным воздей­ ствием всех зарядов на уступ. Напряжения в породе могут быть сни­ жены применением зарядов уменьшенного диаметра, причем для равномерного воздействия на массив длина заряда должна быть равна или больше 0,5—0,7 высоты уступа. Для уменьшения длительности фазы сжатия и для одновременного воздействия всех зарядов на мас­ сив следует пользоваться детонирующим шнуром, обладающим до­ статочно высокой скоростью детонации, а поэтому обеспечивающим практически одновременное воздействие всех зарядов на весь уступ (детонирующий шнур опускается на полную глубину шпура или скважины). В качестве забойки следует применять воду, заливаемую в полиэтиленовую оболочку. По воде в направлении от заряда к устью шпура или скважины ударная волна распространяется практически без потерь энергии, так как фронт волны является плоским. Умень­ шением диаметра порохового заряда до 25 мм для шпуров диаметром 43 мм и до 50 мм для скважин диаметром 105 мм, применением гидрозабойки, а также применением детонирующего шнура удается значительно повысить выход блочного камня.

Наличие в пороховом заряде детонирующего шнура повышает давление и уменьшает длительность фазы сжатия (по сравнению с обычным способом взрывания порохового заряда электродетонато­ ром или электрозапалом). При одновременном взрывании несколь-

132

ких зарядов это благоприятствует отделению больших блоков без образования дополнительных трещин. Специально поставленные эксперименты показали, что максимальные радиальные напряжения в граните на расстоянии 25 см (25i?0) от удлиненного порохового заряда в шпурах без зазора, взрываемого детонирующим шнуром,

План

Рис. 81. Схема расположе­ ния фронтов падающих и отраженных волн для раз­ личных моментов времени:

волна в момент подхода к вер­ тикальной плоскости и отражен­ ная волна, отразившаяся от горизонтальной поверхности;

в — отраженные волны от вер­ тикальной и горизонтальной по­ верхности

равны 160 кгс/см2, а длительность фазы сжатия 350 мкс. Напряже­ ния в граните замеряли методом преломленной волны в воду. Ос­ циллограмма волны напряжений в граните на расстоянии 25 см, т. е. в точке, расположенной на половине пути пробега волны между шпурами, показана на рис. 80.

Результирующая тангенциальная составляющая двух волн, встре­ чающихся друг с другом на половине расстояния между шпурами, дает

ог —2Ое 0,56а,. 90 кгс/см2.

Эта величина меньше предела прочности одноосному растяжению (130—180 кгс/см2). Однако при отражении от боковых поверхностей волны накладываются друг на друга.

133

фотографии процесса отделения блока от уступа по стадиям. Фото­ графии получены подачей пяти последовательных электрогидравлических разрядов в модели уступа из органического стекла. Они иллюстрируют образование и распространение трещины вдоль ря­ да шпуров, направление трещины к бровке и отделение большого куска от модели.

Изложенный способ гладкого взрывания пороховыми зарядами

§ 22. Процесс разрушения при отбойке камерными зарядами

Камерные заряды имеют сосредоточенную форму. Их применяют для отбойки сравнительно трещиноватых пород и в том случае, когда ко взорванной массе не предъявляют высоких требований

Ь 5

Рис. 83. Разрушения при отбойке камерными зарядами:

1 — штольня; 2 — углубление под заря­ дом после взрыва; з — порог; 4 — заколы итрещины; 5 — зона неоднородного дроб­ ления; 6 — неровная линия забоя

по кусковатости. Заряды размещают в конце рассечек, пройденных из штольни (рис. 83). Наиболее эффективны взрывы больших заря­ дов в косогорах или в высоких уступах [53]. Величина отдельных зарядов достигает нескольких десятков и сотен тонн, а л. н. с. — нескольких десятков метров. Однако относительная величина л. н. с. по сравнению с зарядами удлиненной формы меньше' в 2—3 раза. Это объясняется быстрым угасанием энергии волны с расстоянием и сравнительно большой сопротивляемостью породы в нижней части косогора или уступа действию взрыва. Вокруг заряда образуется полость сравнительно больших размеров, к которой примыкают

137

зона пластических деформаций и зона первичного трещинообразования. Так же как и при взрыве удлиненных зарядов, в первую очередь развивается трещина между зарядами, затем боковые, направление которых совпадает с направлением действия отражен­ ной волны. Под воздействием отраженной волны вначале переме­ щается порода, расположенная непосредственно у поверхности, а затем порода, расположенная ближе к зарядам. При зарядах боль­ шой величины количество образующихся продуктов взрыва также велико. Они проникают в естественные и во вновь образовавшиеся трещины. Продукты взрыва усиливают разрушающее действие удар­ ной волны и волны напряжений и сообщают породе больше кинети­ ческой энергии, чем при взрыве скважинных зарядов. По истечении

w

Рис. 84. Схема падения вышележащей толщи после перемещения ее нижней части действием взрыва:

а — схема движения породы при отбойке камерными заря­ дами; б — схема распределения породы по крупности после взрыва камерных зарядов

нескольких миллисекунд после детонации заряда газы прорываются наружу, и скорость полета отдельных кусков превышает скорость полета тех, которые оказались оторванными отраженной волной.

При расчете безопасных расстояний принимают во внимание не только дальность полета кусков, но и количество образующихся газов, скорость и направление ветра.

Поскольку при отбойке камерными зарядами дроблению подвер­ гается лишь небольшая часть взрываемого объема, то этот метод при ведении очистных работ применяют лишь в тех случаях, когда массив состоит главным образом из кусков кондиционных размеров. Схема зоны пластических деформаций и зоны первичного трещинообразования при взрывании камерных зарядов в граните показана на рис. 83, а схема обрушения массива после перемещения ее нижней части действием взрыва — на рис. 84.

Некоторого повышения степени дробления можно добиться, располагая выработки, ведущие к камерам, под углом (рис. 85). При таком расположении ударные воздушные волны и продукты взрыва взаимодействуют, повышая давление и длительность воздей­ ствия на массив в месте сопряжения рассечек.

Камерные заряды дают наибольший эффект в гидротехническом строительстве при возведении плотин и перемычек, так как позво­ ляют обеспечить большое количество взорванной массы в короткие сроки [53].

138

Расчет величины заряда при отбойке камерными зарядами при массовых взрывах на рыхление и на выброс имеет свои специфические особенности.

Линия наименьшего сопротивления задается проектом, исходя из потребного объема взорванной массы и конкретных условий взры­ вания. Высота косогора или уступа должна в несколько раз превы­ шать величину л. н. с.

Величину заряда определяют по формуле:

При необходимости отброса породы на значительное расстояние показатель действия взрыва re > 1. Обычно ге = 1,1 1,25. Сравни-

Рис. 85. Расположение рассечек под углом при отбойке камерными заря­ дами

тельно небольшая величина показателя действия взрыва обусловлена тем, что на перемещение и выброс породы из косогора или уступа вдоль подошвы забоя требуется меньше энергии, чем на перемещение породы вверх и в стороны при образовании траншей и котлованов.

При отбойке камерными зарядами основная часть отбиваемого массива падает вниз под тяжестью собственного веса. При падении отдельностей с высоты в несколько десятков и сотен метров наблю­ дается значительное дополнительное дробление при ударе о подошву забоя. При высоких косогорах (несколько сотен метров) высота обрушившейся зоны достигает 2—3 л. н. с. Опыт строительства плотин и перемычек в условиях косогоров позволил предложить более точный метод расчета величины заряда. Было установлено, что re = 1 -f- 1,1 и что расчет функции от показателя действия взрыва по формуле М. М. Борескова дает заниженные результаты [54]. Исходя из этого, предлагается следующая функция от показателя действия взрыва:

/ (ге) = 0,33-f- 0,67re3e°’oow .

139