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

диаметре патрона 36 мм). Упругопластические деформации стенок шпура под воздействием волны напряжений могут привести к суще­ ственному увеличению первоначального диаметра шпура. На рис. 98 показана зависимость изменения диаметра шпура от расстояния между шпурами для заряда аммонита АП-5ЖВ массой 1,25 кг при длине шпуров 1,8 м в промышленной пачке горючего сланца [59]. Диаметр полости измерялся измерителем конструкции МакНИИ. Характер и величина деформации зависят от расстояния между шпурами. На сравнительно больших расстояниях (80—100 см) на­ блюдаются небольшие разрушения в виде откола тонких пластинок. С уменьшением расстояний остаточные деформации увеличиваются. Под воздействием упругих смещений стенок шпура, отколов и рыхле­ ния породы патроны ВВ могут быть спрессованы и переуплотнены, а в зазоры между торцами патронов может проникнуть породная мелочь. Так, наЦример, при расстоянии между шпурами 32 см заре­ гистрировано резкое уменьшение скорости детонации (с 5000 до

прорвавшихся по естественным и взрывным трещинам в пласте угля, отмечено в работе [67] и др. Повышение давления метана в обводнен­ ных шпурах часто является причиной отказов и выгораний.

добавки, повышающие сопротивляемость патронов увлажнению. К таким добавкам относятся широко применяемые за рубежом гуартеки, в состав которых входит гуаргам-желатинизатор (помол бобов растения гуар, произрастающего в Пакистане, Индии и др.) и отвер- дитель-бура, бихромат калия и др.

Замеры длительности и величины давления на ВВ в пласте угля показали [68], что при сравнительно близком расположении шпуров (30—40 см) отказы и выгорания могут иметь место не только при короткозамедленном, но и при мгновенном взрывании зарядов. При короткозамедленном взрывании длительность давления на ВВ за счет деформации стенок шпура достигает 5—25 мс, а величина давления 100—300 кгс/см2. Известно, что при мгновенном взрывании также имеет место разброс во времени действия зарядов, который зависит от времени срабатывания электродетонаторов. При разбросе, равном 2—3 мс, может иметь место взаимодействие волн напряжений смежных зарядов, приводящее к увеличению длительности давления на ВВ до 5—20 мс и более за счет больших упругопластических де­ формаций стенок шпура.

Представляют интерес также данные о длительности истечения продуктов взрыва из шпура. Длительность истечения колеблется от 12 до 30 мс и более, т. е. это время значительно больше длительности фазы сжатия волны напряжений.

Для снижения величины давления на ВВ рекомендуется оста­ влять-между ВВ и породой зазор, равный 0,25 -f- 0,3i?0. Зависимость

160

величины напряжений и скоростей смещений от величины зазора в пласте угля от расстояния для заряда аммонита ПЖВ-20 массой 0,6 кг показана на рис. 99. Из рисунка следует, что при зазоре, равном 0,19i?0, напряжения и скорости смещений максимальны. На расстоянии 30—40 см (18-^-22Л0) величина растягивающих напряжений значительно больше пределов прочности отрыву, и от­ колы кусочков породы от

рационального угла наклона шпуров; соблюдение оптимального расстояния между шпурами; соблюдение оптимального радиаль­ ного зазора; переход на ВВ, способные детонировать при повы­ шении плотности (до 1,65 г/см3); применение водоустойчивых ВВ; применение рациональных схем взрывания и оптимальных интер­ валов замедления.

§ 25. Процесс разрушения негабаритных кусков породы

Дробление негабаритных кусков или кусков, превышающих кондиционные размеры, представляет важную проблему. Даже не­ большое их содержание во взорванной массе резко снижает произ­ водительность погрузочного оборудования или производительность труда рабочих на горизонте грохочения и на выпуске руды

из загрузочных люков. Это вынуждает производственников уделять дроблению негабаритов больше внимания.

Несмотря на появление новых методов разрушения негабаритных кусков породы (токи высокой частоты, термический, электрогидравлический, электромагнитный, механический и др.), самым распро­ страненным является взрывной — шпуровой и накладными — на­ ружными зарядами. Последний является самым простым и легко­ выполнимым, так как не требует затрат времени и средств на бурение шпуров.

Было отмечено, что длина первичных трещин увеличивается за счет многократного действия на их концы отраженных волн. Если радиус зоны первичного трещинообразования в средней части нега­ барита составляет 11-/-15/?0, то у устья шпура он достигает 35/?0. С учетом трещин, распространяющихся от ребер и боковых граней, отношение поперечника отдельно взятого негабаритного куска к диа­ метру шпурового заряда, при котором происходит его полное разру­ шение, достигает 40—80.

Скорость распространения трещин ктР на поверхности негабарит­ ного куска на расстоянии от 15 до 45i?0 от оси заряда при удельном расходе ВВ 0,2—0,3 кг/м3 может быть вычислена по формулам [48]:

для монолитного гранита

Скорость раскрытия естественных трещин на поверхности блока

Эта скорость неодинакова и носит скачкообразный характер. Так, например, до начала макродвижения блока (на 2—3 мм) проходит 3 мс. В некоторый момент времени скорость перемещения достигает максимума.

Представляют интерес физические явления при взрывании нега­ баритов наружными — накладными зарядами. Исследования пока­ зывают, что основную роль в разрушении играет ударная волна и волна напряжений. В районе, примыкающем к заряду, образуется зона пластических деформаций. Размеры этой зоны невелики. За зо­ ной пластических деформаций под действием тангенциальной соста­ вляющей напряжений образуются радиальные трещины (зона пер­

162

вичного трещинообразования), уходящие в глубину негабарита. Возможно также образование кольцевых трещин вокруг центра взрыва. При правильном подборе массы и формы накладного заряда первичные радиальные трещины не должны достигать противополож­ ного конца негабарита. Лишь в результате многократных воздей-' ствий отражений волны на концы первичных трещин последние увеличиваются.

Рост трещин идет импульсивно. Под воздействием отраженной волны у ребер негабарита возникают новые трещины, распространя­ ющиеся к центру взрыва. При отраженной волне достаточной ин­ тенсивности, а также при интерференции волн, отражающихся от смешных граней негабарита, от краев последнего отрываются куски породы (рис. 100).

Рис. 100. Схема трещинообразования при дроблении негабарита наруж­ ными — накладными зарядами:

1 — углубление; 2 — зона пластических деформаций; 3 — первичные трещины; 4 вторичные трещины; 5 — откол

При оптимальной величине заряда (из расчета в среднем 2— 3 кг/м3) интенсивность растягивающих напряжений достаточна для образования трещин длиной, равной расстоянию от боковой поверх­ ности до зоны первичного трещинообразования. В результате смы­ кания трещин, расходящихся от центра взрыва, с трещинами, иду­ щими от боковых поверхностей, негабарит разваливается на части.

Таким образом, дробление негабарита есть результат воздейст­ вия главным образом волн напряжений, многократно отражающихся от боковых поверхностей. Роль ударной волны в трещинообразовании мала. Еще меньшее участие в этом принимают продукты взрыва, так как они отражаются от поверхности негабарита в течение пер­ вого десятка микросекунд после взрыва, тогда как процесс разруше­ ния длится от нескольких миллисекунд до нескольких десятков

более) и сильные звуковые эффекты, сопровождающиеся распрост­ ранением ударной воздушной волны большой интенсивности, кото­ рая может привести к разрушению стекол в ближайших зданиях.

Раменским отделением ВНИИгеофизики совместно с ВНИИцветметом разработана новая конструкция кумулятивных зарядов для дробления негабарита на основе прессованного тротила, флегматизированного гексогена и скального состава [70].

Заряды, получившие название ЗКП (заряд кумулятивный пло­ ский), имеют для усиления кумулятивного эффекта стальную обли­ цовку выемки и торца (рис. 101). Разработана технология изготовле­ ния кумулятивных зарядов массой от нескольких десятков граммов до нескольких килограммов. Испытания, проведенные в различных карьерах страны, показали высокую эффективность применения кумулятивных зарядов для вторичного дробления. Удельный расход ВВ составил 0,3—0,4 кг/м3 против 2—2,5 кг/м3 при накладных заря­ дах и 0,3—0,4 кг/м3 при шпуровых зарядах. Радиус разлета отдель­ ных кусков не превышает 100 м. Установлено, что предельная тол­ щина негабаритов для дробления крепких пород и руд составляет:

Рис. 101. Устройство кумулятивного заряда ЗКП:

1 — основное ВВ; 2 — промежуточный инициатор; з — стальная облицовка торца; 4 — стальная облицовка кумулятивной выемки

0,3—0,5 м для ЗКП-100; 0,5—0,8 м для ЗКП-200; 0,8—1,2 м для ЗКП-400.

Сравнительные испытания кумулятивных зарядов с торцовой облицовкой и без нее позволили установить причины повышения эф­ фективности. Во всех опытах объем зоны пластических деформаций, включая объем воронки, образовавшейся под зарядом, был больше у зарядов без торцовой облицовки, что указывает на большие затраты энергии в ближней зоне взрыва.

Данные, полученные при замерах параметров волны напряже­ ний в граните для зарядов ЗКП различной массы с облицовкой п без облицовки, приведены на рис. 102 и 103. Из графика (рис. 102) видно, что в случае применения зарядов с облицовкой торца и куму­ лятивной выемки резко растет длительность действия фазы сжатия волны и, как следствие, энергия, перешедшая в породу (рис. 103).

В табл. 22 в качестве примера приведены параметры волны на­ пряжений в граните для заряда ЭКП-100 с облицовками и без обли­ цовок. Из таблицы следует, что плотность потока энергии волны у зарядов с облицовкой больше, чем у зарядов без облицовок. Тор­ цовая облицовка при расстоянии 1 мм до породы за несколько микросекунд приобретает скорость, достигающую 3,5 км/с. Скоро­ стям полета пластины от 650 до 3500 м/с при ударе соответствуют давления от 45 000 до 300 000 кгс/см2.

На основании проведенных исследований опишем процесс разру­ шения негабарита действием кумулятивного заряда. Образовавшаяся в результате детонации струя внедряется в породу, образуя углубле­ ние и радиальные трещины. Непосредственно под зарядом образуется зона пластических деформаций. Она значительно меньше у заряда

164

Т,мс

1С5

Г л а в а VI

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДРОБЛЕНИЯ НА СТОИМОСТЬ ДОБЫЧИ, УПРАВЛЕНИЕ

СТЕПЕНЬЮ ДРОБЛЕНИЯ, ОЦЕНКА ВЗРЫВНОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВВ

§ 26. Оценка степени дробления

Степень дробления взорванной массы оказывает существенное влияние на стоимость всех технологических операций, включая стоимость переработки на дробильных установках. Наиболее важ­ ными факторами, влияющими на степень дробления, являются: метод отбойки, диаметр заряда, тип ВВ, конструкция заряда, схема взрывания и интервал замедления.

Метод отбойки выбирается исходя из мощности пласта или руд­ ного тела и требований, предъявляемых к взорванной массе. При разработке мощных месторождений наиболее рациональным является скважинный метод, так как при этом имеется возможность достигнуть оптимально высокой годовой производственной мощности предприя­ тия при минимальных издержках производства. При скважинном методе отбойки погрузочно-транспортное оборудование используется наиболее полно. Шпуровой метод отбойки, как известно, целесообра­ зен при разработке маломощных пластов и рудных тел. Отбойка камерными зарядами экономически эффективна главным образом в тех случаях, когда естественный массив содержит минимальное количество некондиционных кусков, поскольку при этом методе нельзя добиться равномерного дробления.

На выбор диаметра скважинного заряда влияет ряд факторов и в первую очередь содержание некондиционных кусков в массиве до взрыва. В связи с этим важное значение имеет оценка степени естественной трещиноватости, определяемая обычно числом трещин на 1 м длины.

Изучение поверхности негабаритных кусков после взрыва пока­ зало, что во многих случаях основная масса негабаритных кусков не имеет свежих изломов, поэтому они должны быть отнесены к есте­ ственным отдельностям. Количество негабаритных кусков со свежим изломом на 5—6 гранях часто составляет не более 3—5% от общего объема некондиционных кусков. Анализ гранулометрического со­ става одного из массовых взрывов показал, что объем кусков разме­ рами более 0,5 м со свежим изломом составляет 13,5% [48]. В место­ рождениях с пластообразным залеганием обычно наименьшие размеры негабарита близки по размеру к мощности слоя, наибольшие — к основным и дополнительным трещинам. Таким образом, характери­

167

стикой степени трещиноватости массива является также содержание естественных отдельностей до взрыва.

Содержание некондиционных крупных кусков в массиве до взрыва может быть вычислено приближенно по формуле

с возрастанием среднего диаметра естественной отдельности dQср возрастает и средний размер куска взорванной массы dB3 ср.

- Из графика (рис. 104) видно, что рост de ср ведет к интенсивному увеличению dB3 ср. С увеличением среднего диаметра естественной отдельности уменьшается и зона дробления, что ведет к необходи­ мости уменьшения сетки скважин.

Классификация пород по взрываемости с учетом основных свойств в образце и в массиве (см. гл. I) облегчает предварительный выбор параметров буровзрывных работ, так как содержит данные о размерах естественных отдельностей и данные об ожидаемом содержании не­ габаритных фракций после взрыва.

В работе [48] отмечается, что в случае применения скважинных зарядов большого диаметра относительный радиус дробления умень­ шается, а средние линейные размеры кусков на развале возрастают (рис. 105). Уменьшение относительного радиуса дробления объяс­ няется тем, что увеличение длительности фазы сжатия волны, об­ условленное увеличением диаметра заряда, сопровождается боль­ шими затратами энергии в зоне пластических деформаций и в зоне первичного трещинообразования. С увеличением диаметра заряда увеличивается абсолютное значение л. н. с. С увеличением же л. н. с.

168

общее число трещин на пути распространения волны напряжений увеличивается. Это ведет к возрастанию потерь энергии волны и к ухудшению условий воздействия на массив. Кроме того, увеличе­ ние л. н. с. сопровождается необходимостью перемещения взорванной массы на большее расстояние от центра взрыва, что также требует большего расхода ВВ на единицу отбиваемого объема.

На рис. 106 показан график зависимости гранулометрического состава взорванной массы от диаметра скважинного заряда. Из гра­ фика видно, что у зарядов диаметром 105 мм интенсивность дробле­ ния больше, чем у зарядов диаметром 230 мм. Даже при диаметре

вляет 8 %. Следует отметить, что переход на большие диаметры заряда ведет к увеличению длительности фазы сжатия ударной волны и волны напряжений и, как следствие, к увеличению их энергии. С возрастанием энергии ударной волны и волны напряжений уве­ личивается кинетическая энергия взорванной массы. При оптималь­ ных схемах и интервалах замедления эта энергия в значительной степени используется на дополнительное дробление. Однако, в це­ лом с возрастанием диаметра заряда степень дробления уменьшается. Высокий процент содержания крупных кусков отрицательно влияет на производительность погрузочно-транспортного оборудования и сдерживает внедрение высокопроизводительных машин непрерыв­ ного действия (исходя из износостойкости ленты конвейера, необ­ ходимо дробить породу до 300—350 мм) [71]..

Во многих работах показано, что оптимальный размер куска

169