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

ние ударной волны и волны напряжений необходимой интенсивности и длительности действия.

После отбойки, как правило, образуется забой со сравнительно гладкой поверхностью и конфигурацией, позволяющей обуривать массив по одной и той же схеме. Однако часто естественные текто­ нические трещины имеют небольшой угол наклона к подошве забоя (45—60°) и после отбойки последнего ряда скважинных зарядов линия сопротивления на уровне подошвы оказывается настолько значительной, что принятый диаметр заряда не в состоянии хорошо проработать подошву уступа. Чрезмерное увеличение диаметра заряда может привести к большим заколам за линией последнего ряда скважины и к нарушению устойчивости массива. В связи с этим для преодоления больших сопротивлений часто применяют сближенные скважинные заряды.

Процесс разрушения при отбойке сближенными зарядами. На карьерах Норильского горно-металлургического комбината для бурения парносближенных скважин диаметров 160 мм были исполь­ зованы станки наклонного бурения НБС-5 с двумя рабочими пневмо­ ударниками, расположенными на расстоянии 0,6 м друг от друга. Внедрение парносближенных скважин позволило увеличить выход горной породы за счет расширения сетки скважин и улучшить про­ работку подошвы и ее дробление [56, 57, 58].

Максимальный эффект наблюдался при расстоянии между сква­ жинами, равном 4—6 диаметрам заряда. Длина образовавшихся трещин была больше, чем при взрывании заряда той же величины в одной скважине большего диаметра. Большую длину имели тре­ щины, совпадающие с продолжением линии, проведенной через ряд пробуренных скважин, что объясняется увеличением длительности фазы сжатия прямой волны за счет некоторого сдвига фаз волны каждого заряда пары по отношению друг к другу. Повышение эф­ фективности действия взрыва обусловлено также тем, что энергия волны сближенных зарядов с расстоянием затухает медленнее оди­ ночных, что объясняется эллиптической формой фронта. При крайне больших сопротивлениях по подошве забоя приходится располагать по 3—4 сближенных заряда в группе, хотя рост эффективности взрыва с увеличением числа скважин более двух в группе замедляется [58].

Опыт показывает, что при оптимальном расположении зарядов, оптимальных схемах и интервалах замедления поверхность вновь образованного забоя оказывается параллельной первоначальной, хотя заряды последнего ряда скважин по отношению друг к другу взрываются с замедлением, достигающим 50—75 мс. Повышенный интерес к этому вопросу возникает еще и потому, что действие удар­ ной волны на породу в начале процесса в силу симметрии одинаково и равномерно во все стороны; в конце же процесса отделение и пере­ мещение породы наблюдается только в сторону обнаженных поверх­ ностей, что может иметь место только при определенной сетке сква­ жин. Величина л. н. с. и расстояния между скважинами не должны быть слишком большими, так как в противном случае энергии

141

прямой и отраженной волны может оказаться недостаточно для преодо­ ления молекулярных сил сцепления породы вдоль намеченной плос­ кости будущего забоя и для ее перемещения в сторону обнаженных поверхностей на величину, необходимую для разделения массива на части. Длительность фазы сжатия, следовательно, и длина прямой и отраженной волны в несколько раз превышает л. н. с. или протя­ женность линии сопротивления по подошве, поэтому на поле смеще­ ний прямой волны накладывается поле смещений отраженной волны. Благодаря наложению полей смещений, равно как и полей напряже­ ний, в первую очередь перемещается та часть массива или те слои породы, которые расположены непосредственно у обнаженных по­ верхностей, а во вторую, та часть массива, которая расположена ближе к зарядам. По мере подхода к зарядной камере отраженная волна вовлекает в движение в сторону обнаженных поверхностей все большую часть массива. Конечным результатом является обра­ зование сквозной щели, плоскость которой параллельна плоскости забоя.

При отбойке монолитных скальных пород скважинными зарядами сравнительно небольшого диаметра (до 150 мм) плоскость вновь образовавшегося забоя обычно проходит через ось скважин. Отделе­ ние породы по оси скважин обусловлено в основном действием растя­ гивающих напряжений. При отбойке же пород скважинами большого диаметра (более 150 мм) в образовании поверхности нового забоя участвуют не только растягивающие, но и сдвигающие напряжения, поэтому обнаженная поверхность проходит под углом и в некотором отдалении от скважин.

Количественная оценка описанного процесса разрушения тре­ бует выполнения сравнительно больших расчетов поля напряжений и поля смещений для волны, распространяющейся от двух и более зарядов, а также наличия экспериментальных данных о времени появления трещин и скоростях их распространения в различных точках разрушаемого массива.

Разрушения в дальней зоне взрыва. На расстояниях, превыша­ ющих л. н. с., т. е. на расстояниях далее 60 90i?0, напряжения, вызываемые действием одиночного скважинного заряда, малы и они не приводят к существенным разрушениям. Однако при массовой отбойке руды и породы энергии одновременно взрываемых скважин­ ных зарядов может оказаться достаточно для образования трещин и заколов и в дальней зоне взрыва (далее 90R 0). Подобного рода разрушения особенно четко прослеживаются на поверхности уступа карьера за линией последнего ряда скважин. Длина трещин на по­ верхности уступа достигает 25—30 м (170 -f- 2007?0), а распростране­ ние трещин в глубину — двух третей высоты уступа. В ряде случаев перемещения за линией последнего ряда скважин настолько значи­ тельны, что навал породьадостигает нескольких метров высоты с даль­ ностью перемещения до 10 м и более.

На рис. 86 показана схема распространения трещин в глубину и в тыл массива. Интенсивность разрушения зависит главным об­

142

разом от свойств массива (степени трещиноватости, направления трещин, сил сцепления и коэффициента трения между отдельностями), числа и величины одновременно взрываемых зарядов, расстояния до точки наблюдения, числа ступеней замедления, схем взрывания, интервалов замедления и конструкции заряда.

Зарегистрированные вибрографами скорости смещений на гра­ нице, где заканчиваются трещины, достигают 30—70 см/с на поверх­ ности уступа, при этом длительность действия фазы сжатия соста­ вляет (в скальных породах) 10—40 мс [38]. Расчеты показывают.

200Rg

что при указанных параметрах волны напряжений величина смеще­ ний должна составлять 5—10 мм. Для преодоления сил трения и сил сцепления вдоль контактов между отдельностями и для перемещения отдельностей на указанную величину не требуется много энергии. Последняя значительно меньше необходимой для разрушения и пере­ мещения монолитного нетрещиноватого уступа.

При короткозамедленном взрывании зарядов последующие взрывы не оказывают влияния на общую величину скорости смещений и общую длительность колебаний, если только интервал замедления больше некоторого значения; интерференция колебаний может иметь место лишь при случайном сдвиге фаз благодаря отклонениям от устано­ вленного времени срабатывания электродетонаторов. Как показы­ вают замеры, по этой причине скорости смещений могут превысить ожидаемые в 1,5—2,5 раза [39].

Для анализа физических явлений, приводящих к трещинам и заколам в дальней зоне взрыва, приведем данные о скоростях сме­ щений и величине смещений.

На границе зоны трещинообразования за линией последнего ряда скважин зарегистрированные максимальные скорости смещения были равны 30—130 см/с, а наиболее часто наблюдаемые 40—50 см/с.

Величину смещений рассчитываем по формуле

143

Для скоростей смещений, равных 50 см/с, на расстоянии R —0,32— —0,64 при величине зарядов каждой ступени 500, 1000, 2000 и 4000 кг

получаем смещения соответственно 2,25; 2,5; 3 и 4,25 мм (R = y^Q/r). Если скорость, равную 50 см/c, принять за критическую, при которой еще будут наблюдаться трещины, то и смещение, равное 2,25—4,25 мм, можно принять за критическое — разрушающее. Ука­ занные критические величины смещений на поверхности соответ­

ствуют наиболее часто применяемым массам зарядов. Рассчитанные по формулам

/ уд = рС'0| vKP(t)dt, кгс-с/м2,

Яуд =~ рСо (t) dt, кгс • м/м2

критические значения удельных импульсов и удельных энергий составляют соответственно 1,5-103-]-12-103 кгс-с/м2 и 1,5-103-/- -/-3,75• 103 кгс-м/м2. Однако эти величины значительно больше тех, которые получены для массива, отбиваемого в сторону выработанного пространства, что объясняется большей сопротивляемостью действия взрыва в тыл массива из-за отсутствия дополнительных обнаженных поверхностей.

Скорости смещений в глубине массива определяли вибрографами специальной конструкции, закрепляющимися в скважине на глубине' до 4,5 м от поверхности. На границе зоны трещинообразования за­ меренные значения скоростей смещений в глубине оказались меньше, чем на поверхности. Они могут быть вычислены для вертикальной составляющей за линией последнего ряда скважин по приближенной формуле [38]:

для расстояний до 25—30 м

угл = (0,55 —0,6) v.U0B\

для расстояний далее 25—30 м

угл— (0,3 — 0,4) гпов.

Уменьшение величины скоростей смещений частиц с глубиной объясняется изменением условий воздействия волны на массив. С увеличением глубины условия воздействия приближаются к усло­ виям безграничной среды, т. е. к условиям, в которых скорости сме­ щения вдвое меньше скорости смещений на обнаженной поверхности. В грунтах (глинах, суглинках и супесях) скорость с глубиной умень­ шается быстрее, чем в твердых породах [39]. Как следует из рис. 86, дальность распространения трещин убывает по мере увеличения рас­ стояния от последнего ряда скважин и по мере увеличения глубины. Для смещения частиц и преодоления сил сцепления в глубине не­ обходимо больше энергии.

144

Некоторые рекомендации по уменьшению заколов и трещин за линией последнего ряда скважин и по уменьшению сейсмических колебаний. Заколы и трещины обычно приурочены к естественным тектоническим трещинам, поэтому разрушения наблюдаются при сравнительно небольших скоростях смещений (около 50 см/с) и при небольшой величине смещений (около 2,5 мм). Заброс же породы на сравнительно большую высоту объясняется тем, что при принятых интервалах замедлений порода, отбиваемая предыдущими скважи­ нами, не успевает переместиться в сторону выработанного простран­ ства на необходимое расстояние. Действие скважинных зарядов последнего ряда оказывается направленным также и в сторону горизонтальной поверхности уступа, т. е. вверх.

Для уменьшения заколов и трещин и уменьшения заброса породы за линию последнего ряда скважин рекомендуется применять: диагональные схемы взрывания при оптимальных интервалах за­ медления и оптимальном числе ступеней замедлений; наклонные скважинные заряды; заряды сравнительно малого диаметра для зарядки верхней части скважины в последнем ряду; комбинированные заряды из ВВ различной мощности для зарядки скважин последнего ряда; контурное взрывание.

Для уменьшения вредного воздействия волн в тыл массива не­ обходимо пользоваться диагональными схемами взрывания с воз­ можно меньшей величиной и числом зарядов в одной ступени при максимально возможных интервалах замедления между ступенями.

Во избежание взаимодействия полей напряжений интервалы замедлений между взрываемыми ступенями должны быть больше длительности фазы сжатия волны и соответствовать выбранной сетке скважин. Для принятых в настоящее время диаметров заряда, типов ВВ и расстояний между рядами скважин величина интервала за­ медления должна быть не менее 45—50 мс, а для последнего ряда не менее 60—70 мс.

Эффективным методом снижения действия взрыва в тыл массива и эффективным методом уменьшения заброса породы на бровку забоя является отбойка наклонными скважинными зарядами; Замеры

показали, что на расстоянии R — 20 -f- 40 скорости смещений при отбойке наклонными скважинными зарядами vH скВ меньше скоро­ стей смещений, зарегистрированных при отбойке вертикальными скважинными зарядами vB_скВ. Обработка данных позволила пред­ ложить зависимость [38].

Уменьшение скорости смещений при отбойке наклонными сква­ жинами по сравнению с отбойкой вертикальными скважинными зарядами обусловлено уменьшением сопротивляемости массива дей­ ствию взрыва; Однако трудности бурения наклонных скважин обще­ известны. С появлением высокопроизводительных станков для бу­ рения наклонных скважин и эффективных средств повышения устой­ чивости стенок пробуренных скважин, в особенности в обводненных

условиях, метод может быть рекомендован для широкого применения. Для уменьшения вредного воздействия взрыва в тыл массива в верх­ ней части скважин последнего ряда следует размещать заряды умень­ шенного диаметра (например, при диаметре скважин 269 мм, диаметр заряда 150 мм). Недостатком этого метода является трудоемкость изготовления зарядов уменьшенного диаметра.

Для уменьшения трещин, заколов и заброса породы можно рекомендовать также применение в скважинах последнего ряда комбинированных зарядов, состоящих из мощных ВВ для зарядки нижней части скважин и ВВ небольшой мощности — для верхней. Этим требованиям больше всего отвечают горячие льющиеся водона­ полненные ВВ, позволяющие регулировать состав ВВ в процессе механизированного заряжания.

Эффективность контурного взрывания, при котором до взрыва основных скважин создается щель, общеизвестна. Щель является поверхностью, от которой волна отражается и уменьшает вредное воздействие в тыл массива. Главным недостатком метода является повышенный расход бурения, существенно увеличивающий стоимость работ. Несмотря на это, общая сумма затрат на единицу добычи уменьшается. На рис. 87 и 88 приведены варианты взрывных работ с одновременным и предварительным образованием разрезной щели. На рис. 89 показано нарушение откоса уступа при ведении взрывных работ без образования отрезной щели и положение откоса уступа

то при заоткосе уступа отрезной щелью допустимая скорость может достигать 1 м/с. Снижение величины скорости смещения за линией последнего ряда скважин важно и для уменьшенного вредного влия­

ния сейсмических колебаний на горные выработки, здания и соору­ жения.

Для определения безопасных расстояний до зданий и промышлен­ ных сооружений пользуются величиной допустимой скорости коле­ баний, определяемой по формуле М. А. Садовского

<v-6)

где R — приведенное расстояние;

G — суммарная величина мгновенно взрываемых зарядов, кг;

R— расстояние до места взрыва, м;

к— коэффициент, равный 200—300 для скальных и полускаль-

ных пород и 300—450 для грунтов с уровнем грунтовых вод до 10 м от поверхности;

п— степень затухания, равная 1,5—2 (большие значения от­ носятся к грунтам, меньшие к скальным породам).

Величина допустимых скоростей смещений для скальных пород в зависимости от типа сооружений и величины допускаемых повре­ ждений колеблется от 1,5 до 12 см/с.

146

~ скваж ины отрезной щели; 2 — откос уступа, образованный отрез­ ной щелью; 3 — откос уступа без взрывания скважин отрезной щели

При взрывании в грунтах абсолютные величины скоростей сме­

ность сооружений определяется не только сравнением замеренной величины скорости смещений с донускаемой, зависящей от показа­ теля действия взрыва, схем и интервалов замедления, свойств грунта, типа сооружения и допускаемой величины повреждений, но и с до­ пускаемой величиной смещений и допускаемой величиной.ускорений.

Как указывалось выше, абсолютная величина смещений опреде­ ляется интегрированием скорости смещения по времени, поэтому этот показатель учитывает также и длительность действия волны на сооружения. Для установления предельно допустимых величин смещений, амплитуд и ускорений в качестве критериев сейсмоопас­ ности необходимо дальнейшее накопление экспериментальных дан­ ных для различных горно-геологических условий.

Приведенные в последнее время исследования позволили учесть влияние числа ступеней замедлений и влияние повторного действия

где а к з в — коэффициент, учитывающий уменьшение скорости сме­

п— число ступеней замедлений;

р— коэффициент, учитывающий повторность сейсмиче­ ских воздействий, равный 0,9, при числе взрывов более 100.

Решив выражения (V.6) и (V.7) относительно G, получим

Формулы позволяют по установленной величине допустимой скоро­ сти смещений рассчитать безопасную величину всех взрываемых зарядов и безопасное расстояние для промышленных сооружений.

§24. Процесс разрушения при отбойке шпуровыми зарядами. Отказы шпуровых зарядов, их причины, мероприятия

по устранению

Ко времени достижения зарядной камерой максимальных раз­ меров энергия ударной волны также достигает максимальных значе­ ний. Однако существенные по объему разрушения могут иметь место

148

лишь после отражения волны от ближайших обнаженных поверх­ ностей и после подхода отраженной волны к полости шпура, что объясняется изменением условий воздействия на массив.

Вмонолитном массиве продукты взрыва могут принять участие

вразрушении и в сообщении дополнительной скорости полета лишь после развития трещин и после отрыва породы отраженной волной. Приведенный выше анализ поля напряжений с указанием направле­ ния, знака и величины напряжений (см. гл. IV), данные о параметрах волны напряжений, а также данные о направлении и скорости полета кусков позволяют дать описание процесса разрушения массива и ука­ зать место образования и направление развития трещин. Для упрощения задачи приводятся результаты взрывов в сравнительно моно­ литном гранитном массиве с пределом прочности одноосному растя­ жению 140—180 кгс/см2. В табл. 21 приведены условия взрывания удлиненных зарядов аммонита № 6, а на рис. 90—92 форма и раз­ меры разрушений.

Приведенные в графе 11 напряжения являются растягивающими, так как соответствуют пути пробега от зарядной камеры до верти­ кальной и горизонтальной поверхностей уступа и обратно. Число­ вые значения напряжений приняты по экспериментальным данным (см. рис. 47) с учетом акустической жесткости гранита, равной 13,52 х X Ю5гс-см/см3 с. Графа 6 характеризует форму взрывной во­ ронки, а графы 8 и 9 — вновь образованную поверхность и затраты энергии на дробление.

Экспериментальные данные граф 11—16 соответствуют числовым значениям параметров волны напряжений. По ним можно дать оценку критериям прочности для условий чистого отрыва. Опыт № 1 соответствует условиям, при которых величина растягивающих напряжений с учетом интерференции от двух смежных плоскостей обнажения меньше предела прочности отрыву (80 кгс/см2 меньше 140—180 кгс/см2). Опыт № 2 (рис. 90, а) — суммарной величине растягивающих напряжений (за счет отражения от вертикальной и горизонтальной плоскостей), близкой, а с учетом отражения от бли­ жайших естественных трещин, превышающей пределы прочности отрыву (более 140 кгс/см2). Опыт № 3 (рис. 90, б) соответствует оп­ тимальным условиям взрывания заряда, так как и оторванный объем породы (3,55 м3, показатель действия взрыва 3,3), и степень дробления, характеризуемая вновь образованной поверхностью в еди­ нице объема (12,3 м2/м3), являются значительными. Величина растя­ гивающих напряжений пол. н. с. в момент подхода отраженной волны к полости шпура соответствует пределу прочности отрыву, а с учетом действия отражения волны от горизонтальной плоскости превышает предел прочности отрыву.

Опыт № 4 (рис. 90, в) соответствует л. н. с., величина которой меньше оптимальной. Объем разрушения 2,8 м3, показатель действия взрыва равен 2,8, т. е. меньше, чем в предыдущем случае, но степень дробления больше (14,8 м2/м3), что объясняется большей величиной растягивающих напряжений.

149