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

Опыты № 5 (рис. 91, а) выполнены для еще меньшего значения л. н. с., поэтому растягивающие напряжения в момент подхода волны к зарядной камере еще больше (520 кгс/см2). Однако разру­ шенный объем незначителен (1,64 м3). Скорость смещения в момент подхода отраженной волны к зарядной камере достигает наибольших значений (3,75 м/с), т. е. значительная часть энергии отраженной волны переходит в кинетическую. Эксперименты, показанные на рис. 91, б и в , проведены для л. н. с., значительно большей опти­ мальной. Суммарная величина растягивающих напряжений близка

Рис. 90. Результаты взрыва удлиненного заряда на рассто­ янии:

меньше предельного (л. н. с. равна ЗОНо); 1 — естественные трещины

к пределам прочности отрыву (140 кгс/см2). Невзорвавшаяся ниж­ няя часть шпура указывает на то, что по мере дальнейшего увеличе­ ния л. н. с. растягивающие напряжения будут недостаточны для отрыва породы от уступа, и условия действия отраженной волны будут аналогичны условиям опыта № 2. Следует обратить внимание на то, что в опыте № 2 (см. рис. 90), напряжения также близки к пре­ делу прочности отрыву. Однако полного отрыва породы от массива не происходит, хотя в опыте № 7 (рис. 91, в) при тех же примерно значениях л. н. с. образовалась взрывная воронка. Это объясняется тем, что диаметр заряда в опыте № 7 равен 32 мм, а в опыте № 2 25 мм. Из этого следует, что условия разрушения зависят еще и от длительности действия, т. е. энергии волны (см.графы 14 и 16 табл. 21)

150

На рис. 92 показаны результаты взрыва двух удлиненных заря­ дов при л. н. с., равной 627?0. Путь пробега волны от каждого заряда до забоя и обратно от забоя до зарядной камеры 124R0, а соответст-

Рис. 91. Результаты взрыва удлиненного за­ ряда в массиве с трещи­ ной на расстоянии:

а — меньше предельного

(л. н. с. равна 22Д0); б —

больше предельного, но при сравнительно близком рас­ положении второй обнажен­ ной поверхности (л. н. с. равна 62,5Д„); в — на рас­ стоянии, приближающемся к опыту на рис. 90, о (л. н.

с. равна 75Д,)

вующее этому пути растягивающее напряжение составляет всего 72 кгс/см2. С учетом интерференции отраженной волны от горизон­ тальной плоскости обнажения суммарная величина растягивающего

Рис. 92. Разрушения при одновременном взрыва­ нии двух удлиненных за­ рядов массой по 400 г на расстоянии больше предельного для одиноч­ ного заряда (л. н. с.

равна 62 й 0)

напряжения 95 кгс/см2, т. е. также меньше предела прочности отрыву. Поскольку заряды взрывались одновременно, то общая величина растягивающих напряжений в момент подхода двух отра­ женных волн к шпурам составит 190 кгс/см2, т. е. превысит предел прочности отрыву. Трещина должна пройти вдоль линии, проведен-

151

Указанные скорости полета близки по величине с вычисленными по формуле

u = 2v, м/с,

где

goг max

УСо •

Олтах — определяется экспериментально; у — удельный вес.

На скорость полета кусков оказывают влияние продукты взрыва. Это влияние особенно велико для л. н. с. до 1(Ж0.

По истечении сравнительно небольшого отрезка времени после вылета продуктов взрыва из шпура давление в последней меньше атмосферного, т. е. имеет место сильное разрежение. Действие разрежения было наглядным в экспериментах со взрывами зарядов в стальных трубах. Деформация в виде сплющивания стальной трубы была настолько значительной, что внутренний диаметр с 37 мм сократился до 3—5 мм.

Качественная характеристика процесса разрушения сильнотре­ щиноватого массива, например массива, сложенного из пластов осадочного происхождения, аналогична изложенному. Отличия будут заключаться в больших размерах полости, большей зоне переизмельчения и большей зоне первичного трещинообразования. Это объясняется не только меньшей сопротивляемостью этих пород действию взрыва, но и несколько иными условиями воз­ действия волны. Шпуровой заряд пересекает многочисленные слои и прослойки. При этом длина волны в десятки и сотни раз превышает толщину слоев и прослойков. Распространяющаяся в пределах каждого слоя и каждой прослойки волна оказывает на породу квазистатическое воздействие, в результате которого трещины расходятся от шпура в сторону на сравнительно большое расстояние. Роль пря­ мой падающей волны в разрушении таких массивов больше, чем волны, отражающейся непосредственно от обнаженной поверхности.

вой отбойке, в особенности при разработке месторождений подзем­ ными работами, наблюдаются отказы, сопровождающиеся выбросом патронов или частей патронов в призабойное пространство. Наиболь­ шую опасность представляют случаи неполной детонации с выбросом горящих частичек ВВ из шпура.

Катастрофические последствия указанных явлений в шахтах, опасных по газу или пыли, известны, поэтому анализ причин отка­ зов и неполной детонации ВВ и разработка мероприятий по их

устранению представляет не только практический, но и теоретический интерес.

Выполненные исследования позволяют классифицировать отказы по условиям их образования на две группы [59].

М е х а н и ч е с к и е п р и ч и н ы —■подсечка шпуров пре­ дыдущими взрывами, проседания забоя лавы, раздвижка патронов

154

в шпурах, попадание в зазор между патронами отколовшихся от сте­ нок шпура кусочков породы и буровой мелочи.

Ф и з и к о - х и м и ч е с к и е я в л е н и я — переуплотне­ ние ВВ вследствие канального эффекта; переуплотнение ВВ благо­ даря упругим деформациям стенок шпура, переуплотнение ВВ про­ дуктами взрыва из смежного шпура, повышенное давление в шпуре в газо- и водонасыщенных пластах, плохое качество ВВ (повышенная плотность, повышенная влажность).

Подсечка шпуров предыдущими взрывами с выбросом забойки и патронов ВВ из шпура, включая боевой заряд, может иметь место при сравнительно небольших расстояниях между шпурами, усилен­ ном заряде и завышенных интервалах замедления по сравнению с оптимальными. Проседание лавы с подсечкой шпуровых зарядов наблюдается в случае отсутствия во врубе «подшашек», в особенности в районе геологических нарушений.

Большую опасность представляет подвижка патронов ВВ в шпу­ рах под воздействием предыдущих взрывов. Величина подвижки патронов с песчано-глинистой забойкой и дальность их полета за­ висят от расстояния между шпурами, интервала замедления, угла наклона шпура к забою и числа обнаженных плоскостей.

Приобретаемые патронами ВВ и забойкой скорости полета до­ стигают нескольких метров в секунду, а дальность полета 10 м и более от устья шпура. Наибольшая скорость приобретается забой­ кой и патронами у устья шпура, т. е. на участках, расположенных ближе к обнаженной поверхности. Это объясняется тем, что наиболь­ ших значений смещения и скорости смещений достигают в точках, расположенных непосредственно у обнаженных поверхностей мас­ сива, так как скорости смещений под воздействием падающей и от­ раженной волны удваиваются.

На рис. 94 показаны графики величин смещений и скоростей сме­ щений частиц для волны произвольной формы. Максимальная ве­ личина смещений соответствует полному отражению волны от обна­ женной поверхности. В этот момент скорость смещений частиц за фронтом волны уменьшается до нуля. После полного отражения волны забой возвращается в исходное положение, а забойка и пат­ роны ВВ в силу инерции продолжают перемещаться вперед, приоб­ ретая максимальные значения по истечении нескольких десятков миллисекунд после взрыва заряда смежного шпура.

Величину подвижки и скорость перемещения патронов опреде­ ляли с помощью тонкого, закрепленного в забое шпура, изолирован­ ного провода, очищенного через каждый сантиметр от изоляции. Подвижный контактный датчик закрепляли в исследуемом патроне. Регистрацию процесса перемещения производили с помощью осцил­ лографа МПО-2. Обработка результатов экспериментов показала, что перемещение начинается не сразу, а по истечении некоторого отрезка времени после отражения волны от обнаженной поверхности.

Время прохождения патроном 1 см пути колебалось от 1 до 300 мс в зависимости от расстояния между патроном и устьем шпура,

155

ной через ось шпуров, а затем, развиваясь, направиться к обнажен­ ным поверхностям.

Из изложенного следует, что основной объем разрушения обусло­ влен действием растягивающих напряжений (при определенной дли­ тельности фазы сжатия). Разрушение незначительной части породы, примыкающей к периферии разрушенного объема, согласно рисункам 90—92 и данным гл. IV, вызвано действием сдвигающих напряжений.

На рис. 93 показаны результаты взрыва заряда в монолитном известняке. Куски породы были собраны и сложены обратно во взрыв­

ния на экране позволили прийти к выводу о том, что трещины на обнаженных поверхностях в первую очередь

появляются у устья шпура и в эпицентре взрыва, а также у бровки забоя — в местах пересеченья обнаженных поверхностей. После под­ хода отраженной волны к шпурам получают развитие те первичные трещины, которые направлены вдоль ряда шпуров, и те, направле­ ние которых совпадает с растягивающей составляющей отраженной

куски, расположенные против устья, в эпицентре и в местах сопря­

с биссектрисой угла, образуемого обнаженными поверхностями. Абсолютные значения скоростей полета кусков в момент отрыва

от массива зависят от величины л. н. с., типа ВВ и условий взрыва­ ния заряда. При взрывании аммонита № 6 в граните, в шпурах диаметром 43 мм на основании данных ускоренной киносъемки по­ лучены следующие скорости полета кусков в момент отрыва от забоя:

153

а общее время перемещения патрона по шпуру составляло от 17 до 610 мс при скорости перемещения от 0,1 до 11,4 м/с.

Время, необходимое для отделения породы от массива или время, необходимое для упругого перемещения забоя, значительно больше длительности фазы сжатия волны напряжений. График зависимости дальности перемещения патронов ВВ от расстояния между шпурами для лав с машинным врубом в шахтах треста «Ленинградсланец»

представлен на рис. 95 (масса заряда 1,2 кг аммонита ПЖВ-20; шпуры пробурены под углом 90° к забою).

Согласно этому графику, максимальная дальность полета от устья шпура соответствует расстояниям 1,2—1,4 м, т. е. наибольшим ско­ ростям смещения частиц за фронтом волны, зарегистрированным вибрографами.

С увеличением угла наклона шпуров к забою благодаря трению патронов о стенки шпура скорость перемещения патронов умень­ шается. Специальные дифференциальные датчики, установленные в шпуре, пробуренном по нормали и под углом к забою, с одной плоскостью обнажения, а также в лаве с машинным врубом, т. е. в забое с двумя плоскостями обнажения, зафиксировали различные по величине скорости смещения частиц за фронтом волны напряже­ ний. Для шпура, пробуренного по нормали в забое с одной плоскостью обнажения, скорости смещений составили 7—8 м/с, для шпура, пробуренного под углом 80—85°, 0,35—0,4 м/с, для шпура, пробу­ ренного под углом 65—70°, 0,05—0,1 м/с. Для шпура, пробуренного

156

по нормали в забое с двумя плоскостями обнажения, эти скорости были меньше (0,4—0,5 м/с).

Дальность полета патронов ВВ зависит также от вида и качества забойки. Под воздействием волны напряжений, распространяющейся от взрыва предыдущего заряда, последующийшпур упруго сжимается,’ сжимая песчано-глинистую забойку. При этом сила трения песчано­ глинистых пыжей с породой уменьшается, и забойка, а вслед за ней и патроны перемещаются и вылетают из шпура. Трудно переоценить опасность этого явления для шахт, опасных по газу или пыли. Сни­ жается при этом и эффективность отбойки. Из изложенного следует, что песчано-глинистая забойка не отвечает предъявляемым требова­ ниям.

Удлиняющаяся и саморасклинивающаяся полиэтиленовая водо­ наполненная ампула конструкции ИГД им. А. А. Скочинского [60] устраняет перемещение патронов, снижает запыленность, уменьшает содержание ядовитых газов, обеспечивает лучшее дробление и повы­ шает коэффициент использования энергии взрыва. Повышение эф­ фективности отбойки при применении этого вида забойки обусловлено также тем, что значительная часть энергии заряда передается через воду породе. Вопросу повышения коэффициента использования энергии заряда благодаря применению забойки вообще и примене­ нию водяной забойки в частности посвящены работы [11, 61, 62, 63, 64]. Здесь следует отметить, что величина и материал забойки за­ висят от конкретных условий — заданной степени дробления, за­ данной дальности полета взорванной массы, наличия и стоимости забоечного материала и др. Забойка увеличивает длительность дей­ ствия продуктов взрыва на стенки зарядной камеры и, как следствие, длительность ударной волны и волны напряжений, следовательно, и количество энергии, передаваемое породе и . участвующее в разру­ шении.

Большой интерес представляет величина раздвижки и число раздвижек, при которых воздушные зазоры или зазоры, заполненные буровой мелочью или породой, отколовшейся от стенок шпура, не пе­ редают детонацию от патрона к патрону.

Факт передачи детонации или неполной детонации ВВ через один или несколько промежутков определяли по скорости детонации в последнем патроне от забоя шпура, при этом инициирование было обратным. Величина заряда 1,25 кг АП-4ЖВ. Скорость детонации определяли с помощью ионизационных датчиков (рис. 96) и катод­ ного осциллографа.

Вначале определяли скорость детонации, соответствующую тех­ ническим условиям — скорость детонации открытого заряда без промежутков (3760 м/с). Затем в шпуре оставляли один воздушный зазор длиной от 25 до 10 см (рис. 96, а). При зазоре 25—18 см на­ блюдались отказы, при зазоре 15 см скорость детонации была равна 3840—4000 м/с, а при зазоре 10 см 4350—4450 м/с. При четырех воздушных промежутках (рис. 96, б) наибольшая величина проме­ жутка, при которой передается детонация, оказалась равной 10 см.

157

Максимальная длина пересыпки из буровой мелочи между колон­ кой заряда и испытуемым патроном, при которой не передается детонация, оказалась равной 7—8 см. При пересыпке длиной б см скорость детонации составила 4000—4290 м/с. При четырех пересыпках наибольшая величина пересыпки, при которой передается дето­ нация, 5 см. Изложенное касается взрыва одиночных зарядов [59].

При короткозамедленном взрывании и при сравнительно близком расстоянии между шпурами (50 см) длина пересыпки, при которой детонация не передается, резко уменьшается — с 7 до 1 см, что объяс­ няется уплотнением ВВ в патроне под воздействием упругих и упру­ гопластических смещений стенок шпура, обусловленным взрывом предыдущего шпура. К упругопластическим смещениям относятся смещения, сопровождающиеся отколом породы от стенок шпура, или трещинообразованием, приводящим к рыхлению породы у сте­ нок шпура.

а

Рис. 96. Схема экспериментов по передаче детонации через воз­ душные промежутки и по определению скорости детонации патрона

Из физико-химических процессов, влияющих на отказы и вы­ горание, особую роль играет переуплотнение ВВ в патроне. Из­ вестно, что порошкообразные и прессованные аммиачно-селитренные ВВ повышенной плотности (1,5—1,6 г/см3 и более) в патронах диа­ метром 30—50 мм не взрываются или у таких ВВ детонация перехо­ дит в горение. Причинами переуплотнения ВВ являются: для еди­ ничного заряда — распространяющаяся по зазору между патронами и стенкой шпура ударная воздушная волна, опережающая фронт детонационной волны (канальный эффект); для серии зарядов, взры­ ваемых с замедлением, — упругое и упругопластическое смещение стенок шпура или повышенное давление продуктов взрыва в шпуре благодаря прорыву газов по трещинам из соседнего шпура.

Установлено [61], что при величине радиального зазора, равного 0,407?0 или несколько более, канальный эффект проявляется в мак­ симальной степени. При скорости распространения ударной воздуш­ ной волны (УВВ) в зазоре, равной 7620 м/с давление в шпуре (без учета влияния отражения УВВ от стенок) равно 622 кгс/см2 (см. табл. 4). С учетом отражения волны от стенок шпура давление в зазоре может превысить 1000 кгс/см2 и привести к переуплотне­ нию, приводящему к отказам и выгораниям. В связи с этим необхо­ димо избегать больших радиальных зазоров, поскольку отказ или

158

неполная детонация врубовых шпуров может привести к плохой отбойке всего забоя или части забоя.

Наиболее вероятно переуплотнение ВВ при расстоянии между шпурами менее 60 см для угольного забоя, менее 50 см для промы­ шленной пачки горючего сланца, менее 30—40 см для породного забоя. При малых расстояниях энергии волны напряжений достаточно для упругопластического смещения стенок шпура'до ве­ личины, превышающей име­ ющийся радиальный зазор.

IV, мм

Величину упругого смещения в функции от расстояния для без­ граничной среды можно рассчитать по эмпирическим формулам, приведенным в гл. III, или определить экспериментально. Зависи­ мость величины смещений от расстояния для безграничной среды для аммонита АП-5ЖВ и ПЖВ-20 диаметром 36 мм в пласте горю­ чего сланца показана на рис. 97.

На расстоянии 30—40Л0 от центра взрыва, т. е. 54—72 см, величина упругого смещения достигает 4—7 мм. С учетом некоторого возрастания величины смещения благодаря наличию обнаженной поверхности, какой является полость шпура, а также учитывая возможные отколы кусков породы от стенок шпура, указанные ве­ личины безопасны лишь при диаметре шпура около 42—43 мм (при

159