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

меньшим содержанием тротила, чем у ВВ № 17. Для известняков

спределом прочности сжатию 45 000 кгс/см2 наиболее подходит ВВ

№6 (гранулированный тротил), при этом он легко поддается меха­ низированной зарядке. Аммонит № 6 должен привести к сильному переизмельчению известняка. Гранулированный тротил дороже ам­ монита № 6 и его применение вызовет удорожание взрывных работ, однако можно ожидать, что выход товарной продукции увеличится, а стоимость единицы добычи понизится.

Из табл. 23 (графы 5 и 6) видно, что для горючих сланцев и ка­ менного угля ВВ, указанные в таблице, включая аммонит ПЖВ-20, приведут к сильному переизмельчению и что для этих пород требуется применение других ВВ.

В с л у ч а е н е о б х о д и м о с т и д о с т и ж е н и я в ы ­ с о к о й с т е п е н и д р о б л е н и я .

1.Исходя из экономической эффективности намечается группа ВВ, обладающая высоким импедансом *. Устанавливается возможно высокий коэффициент передачи энергии породе.

2.Определяется прочность породы сжатию для условий все­ стороннего равномерного динамического сжатия, давление во фронте

детонационной волны и по формулам (11.27) и (11.30) D и Р.

3. Производится экспериментальная проверка степени дробле­ ния и влияния степени дробления на экономическую эффективность единицы добычи, включая стоимость дробления на обогатительной фабрике.

Представляется целесообразным сопоставление коэффициента передачи энергии породе, рассчитанного по формуле (11.16) с резуль­ татами взрыва для подобного типа ВВ. Замер вновь образованной поверхности (по данным о гранулометрическом составе) и замер скорости полета взорванной массы позволит определить затраты энергии на дробление и перемещение взорванной массы для деталь-

* В трещиноватых породах с акустическойжесткостью до 10-105 кг/см3-см/с величина импеданса ВВ не должна превышать величину акустической жесткости породы, так как это может привести к ухудшению степени дробления из-за быстрого распространения трещин от заряда до бли­ жайших естественных трещин.

180

ной оценки подобного ВВ и учета влияния степени дробления на. тех­ нико-экономические показатели.

В с л у ч а е н е о б х о д и м о с т и д о с т а в к и п у с т ы х

лям лучше всего подходит водонаполненное ВВ с небольшой скоро­

затраты в ближней зоне взрыва и максимальные на перемещение горной массы.

Оценка взрывной эффективности ВВ. Влияние свойств ВВ на дро­ бящую способность горных пород изучено недостаточно. Это объяс­ няется сложностью задачи. Сопротивляемость разрушению или дробимость, как было показано в гл. I, даже для однородного об­ разца постоянной формы и размера зависит от величины, формы и длительности приложенной нагрузки. К сожалению, для оценки степени дробления часто пользуются критериями, не соответству­ ющими полученной степени дробления: процентом выхода какого-либо произвольно установленного размера куска, например +1000 или —100 мм; процентом выхода средневзвешенного куска, например

200, 500 мм и др.

Высокая стоимость мощных ВВ вынуждает производственников пользоваться комбинированными ВВ, поэтому в литературе очень мало сопоставимых данных о дробящей способности ВВ с различными детонационными характеристиками.

Анализ свойств применяемых ВВ показывает, что для большин­ ства из них теплота взрыва пропорциональна работоспособности, определяемой с помощью свинцовой бомбы [76].

Опубликованные данные о полигонных испытаниях одиночных зарядов массой 600 г в шпурах, пробуренных под углом 60°, показы­ вают, что объем образующейся взрывной воронки пропорционален теплоте взрыва [77]. Примерно такие же результаты получены при отбойке руды ВВ с различной теплотой взрыва или ВВ различной

181

Более мощные ВВ обычно выделяют больше тепла, поэтому они сопоставляются с эквивалентным по теплоте взрыва ВВ и для соблю­ дения условий подобия (при одной и той же массе заряда) заклады­ ваются на большую глубину. Увеличение же абсолютной глубины заложения заряда должно приводить к возрастанию удельного рас­ хода ВВ и к нарушению энергетического подобия.

Удельный расход существенно возрастает при переходе на сравни­ тельно большие л. н. с. Изложенное указывает на отсутствие прямой пропорциональности между удельным расходом ВВ и взрываемым объемом. Однако при одинаковых условиях взрывания зарядов и при ВВ, у которых детонационные характеристики отличаются друг от друга не столь резко, можно допустить, что взрываемые объемы пропорциональны величине зарядов.

В некоторых работах приводится оценка влияния теплоты взрыва на дробящие свойства образцов пород различной крепости. Отме­ чается, что при одной и той же теплоте взрыва с возрастанием кре­ пости пород кусковатость увеличивается и для достижения большей степени дробления теплота взрыва должна увеличиваться. С воз­ растанием теплоты взрыва на 100 ккал/кг вновь образованная по­ верхность увеличивалась на 10 м2 на 1 м3 породы [77].

Для оценки дробящей способности ВВ взрывались образцы бетона кубической формы, при этом взвешивались куски массой до 10 г [79].. Согласно этим данным, дробящая способность ВВ пропорциональна теплоте взрыва и не зависит от скорости детонации. Однако этот вывод справедлив только для определения суммарного выхода мелких фракций, но не для определения степени дробления, характеризуемой вновь образованной поверхностью и зависящей от всего грануло­ метрического состава взорванной массы.

Легко представить, что для ВВ с одной и той же теплотой взрыва основной характеристикой является плотность, от которой зависит концентрация энергии в единице объема и скорость детонации, или импеданс ВВ.

Энергия, передаваемая породе, пропорциональна концентрации энергии в единице объема (уQ) или пропорциональному этой величине импедансу ВВ (yD) и диаметру заряда. Для выявления влияния ско­ рости детонации на дробящую способность ВВ эксперименты должны проводиться при постоянном диаметре заряда, при геометрическом подобии образца и заряда и при одинаковых концентрациях энергии в единице объема (ккал/дм3), носВВ, обладающими различным импе­ дансом. Для исследования влияния импеданса ВВ на степень дро­ бления было проведено несколько серий экспериментов в лаборатор­ ных условиях. Все они показали, что с возрастанием yQ или уD степень дробления увеличивается. Это объясняется увеличением количества энергии, передаваемой породе, и полезных составляющих этой энергии. Хотя с возрастанием yQ и yD увеличивались потери энергии в ближней зоне взрыва, увеличение потерь шло менее интен­ сивно, чем увеличение количества передаваемой энергии. В первых двух сериях указанных экспериментов были постоянными: тип ВВ,

182

теплота взрыва, масса заряда, форма и размеры образца. Изменялись размеры заряда: в первой серии изменялся диаметр заряда, а его длина была постоянной; во второй — изменялась длина заряда, а его диаметр был постоянным.

В качестве ВВ был использован тэн, при этом плотность заряда была равна 0,6; 0,9; 1,3; 1,6 г/см3. За счет этого изменялся импеданс или объемная концентрация энергии. В третьей серии изменялся тип пород. Были взорваны диабаз, гранит, мрамор, горючий сланец. В четвертой серии изменялся удельный расход ВВ. В пятой серии были постоянными тип породы, формы и размеры заряда, форма и размеры образца. Изменялся тип ВВ и незначительно масса заряда. Объемная концентрация энергии четырех типов ВВ — тэна (р = = 0,84 г/см3), аммонита № 6 (р = 1,18 г/см3), ГЛВВВ (р = 1,51 г/см3) и гексогена (р = 0,91 г/см3) была одинаковой (1180 ккал/дм3). Ре­ зультаты последней серии экспериментов приведены на рис. ИЗ.

Рис. ИЗ. Зависимость степени дробления от скорости детона­

Во всех сериях экспериментов по мере увеличения скорости детона­ ции степень дробления увеличивалась, что свидетельствует о лучшем использовании энергии взрыва на дробление. С увеличением удель­ ного расхода ВВ и уменьшением крепости пород степень дробления увеличивалась. Следует отметить, что в экспериментах с постоянным диаметром и увеличивающейся длиной заряда (за счет уменьшения плотности тэна — вторая серия) степень дробления была выше у зарядов с большей плотностью и меньшей длиной заряда. Несмотря на худшее (неравномерное) размещение заряда в образце, степень дробления была выше в экспериментах с большим импедансом ВВ.

Из перечисленных экспериментов следует, что энергетическое подобие при взрывании ВВ с различным импедансом не соблюдается. Последнее объясняется изменением условий воздействия на породу, в частности, изменением величины, формы и длительности действия ударной волны. Как следует из гл. I, сопротивляемость действию взрыва, или прочность горных пород, не является постоянной вели­ чиной и зависит от условий нагружения.

Процесс разрушения массива отличается от процесса разрушения образца числом обнаженных поверхностей, наличием естественных трещин, условиями соударения кусков при взрыве, в свою очередь, зависящими от схем взрывания и интервалов замедления. В связи с изложенным оценка дробящей способности ВВ при взрывании образцов по указанной методике может служить основанием лишь для ориентировочного выбора детонационных характеристик ВВ.

183

Поэтому степень дробления и оптимальный размер куска должны устанавливаться опытным путем непосредственно в производствен­ ных условиях с учетом конкретных горно-геологических условий.

Экономически целесообразно в менее крепких породах применять менее мощные ВВ, в породах крепких — более мощные, при этом и в том и другом случае можно ожидать примерно одинаковую степень дробления, что объясняется соответствием детонационных характе­ ристик ВВ свойствам пород и условиям нагружения.

Целесообразность перехода на сравнительно менее мощные ВВ в породах небольшой крепости обусловлена их малой сопротивля­ емостью разрушению (меньшими затратами энергии на необратимые потери до разрушения — малой удельной энергоемкостью разру­ шения).

Увеличение импеданса ВВ в крепких породах ведет к повышению степени дробления. В породах же небольшой крепости рост степени дробления наблюдается лишь до того, как импеданс ВВ окажется равным импедансу породы. Дальнейшее увеличение импеданса ВВ может привести к уменьшению степени дробления. Это объясняется весьма быстрым прорастанием трещин, их быстрым выходом на поверхность и благодаря этому быстрой разгрузкой напряженного состояния массива, ведущего к уменьшению общего числа трещин. Таким образом, для достижения сравнительно высокой степени дробления крепких пород крупноблочной структуры следует при­ менять более мощные ВВ. Но даже в этом случае степень дробления этих пород меньше степени дробления пород небольшой крепости. Это обусловлено более высокими молекулярными силами сцепления, более высокой степенью затухания энергии ударной волны в ближней зоне взрыва и прогрессивным возрастанием пределов прочности по мере возрастания скорости приложения нагрузки.

Вопрос об оценке взрывной эффективности приобретает особую актуальность в связи с переходом на водонаполненные ВВ с большой концентрацией в единице объема скважины.

Взрывная эффективность ВВВ определяется разрушаемым объ­ емом V, степенью его дробления с, величиной заряда G и его сто­ имостью. Чем больше разрушаемый объем, его степень дробления и меньше количество затрачиваемого ВВВ и его стоимость, тем эффективнее применение данного типа ВВВ.

Между указанными величинами установлена следующая взаимо­

184

И л и

Так как (?Ввв = <?уТ3, гДе Qv — удельная объемная теплота взрыва; V3 — объем заряда, то при V3 = const

Таким образом, применение высокоплотных ВВВ увеличивает сте­ пень дробления горной породы.

<?штс в в В

185

В выражении (VI.4) Q = GQy, что соответствует объемной концен­ трации ВВ в скважине, ккал.

Формулы (VI .3) и (VI .4) выведены исходя из допущения о по­ стоянстве энергии, передаваемой породе и участвующей в разруше­ нии. В действительности переход на ВВВ в целом сопровождается повышением к. п. д. взрыва на полезные формы работы, поэтому в эти формулы следует ввести поправочные коэффициенты, величина которых должна быть установлена в процессе дальнейших иссле­ дований.

Затраты энергии на разрушение и перемещение породы. Одним из важнейших вопросов составления баланса энергии заряда яв­ ляется определение энергии, расходуемой на разрушение и пере­ мещение горной масеы. Известны аналитические и эксперименталь­ ные методы определения затрат энергии на дробление по удельной поверхностной и удельной объемной энергоемкости. Удельная по­ верхностная энергоемкость для кристаллов на основе строения ре­ шетки и сил молекулярного сцепления определялась многими иссле­ дователями [2, 80].

Отмечается значительное расхождение между теоретической и экс­ периментальной величинами удельной поверхностной энерго­ емкости, обусловленное отклонениями от нормальной структуры кристалла и другими дефектами.

В практике ведения взрывных работ удельная объемная энерго­ емкость, т. е. энергия, необходимая для разрушения единицы объ­ ема, характеризуется удельным расходом ВВ, т. е. количеством ВВ на 1 м3 разрушаемого массива. Удельный расход ВВ, зависящий от метода отбойки и условий взрывания, учитывает затраты энергии на пластические и упругие деформации, на образование новой по­ верхности и на перемещение породы на заданное расстояние. В по­ следние годы получил развитие также калориметрический метод определения удельной поверхностной и удельной объемной энергии при разрушении образцов пород взрывом. Применение специальной калориметрической бомбы с отводом продуктов взрыва в атмосферу позволило определить долю энергии заряда, остающуюся в продук­ тах взрыва, после образования ударной волны и волны напря­ жений [74].

При рассмотрении процесса образования ударной волны было отмечено, что в твердых породах энергия ударной волны достигает 50—80 % от энергии источника, остальная часть приходится на хими­ ческие потери, обусловленные неполным взрывчатым разложением ВВ, и на энергию продуктов взрыва, которая не перешла в энергию ударной волны. Данные об энергии ударной волны 7?у в, о пре­ делах прочности породы в ближней зоне взрыва, о средней скорости перемещения взорванной массы и затратах энергии на образование единицы новой поверхности позволяют написать уравнение

Е у. в Епл-f- ЕКШ1 7?др -J- /Дне■

186

где р — ударная сжимаемость породы.

Энергия, расходуемая в зоне пластических деформаций, может

где qv — удельная объемная энергоемкость, определяемая анали­ тически или экспериментально.

вновь образованной поверхности.

Согласно данным калориметрических измерений, удельная поверх­ ностная энергоемкость составляет 15—75кгс-м/м2 [74], при этом большие значения относятся к крепким породам.

Кинетическая энергия перемещающейся взорванной массы

где v — средняя скорость перемещения взорванной массы; G — вес отбитой породы.

Диссипативные потери, обусловленные распространением волны, могут быть определены также графически, если известна закономер­ ность изменения энергии ударной волны и волны напряжений с рас­ стоянием.

Расчеты по формулам (VI.5)—(VI.10) при взрывании скважинных зарядов из аммонита № 6 в габбро-диабазах с коэффициентом кре­ пости / = 10 —г 12 показывают, что на дробление расходуется всего 0,08—0,12%, на перемещение взорванной массы — около 25% и на пластические деформации — около 22% потенциальной энергии за­ ряда. При энергии ударной волны, равной 70% потенциальной энер­ гии заряда, диссипативные потери составляют 33%. Из приведенного примера следует, что затраты энергии в зоне пластических деформа­

187

ций и потери, обусловленные пробегом волны на расстояние, рав­ ное л. н. с. и обратно, составляют 53% , или более половины потен­ циальной энергии заряда. Это указывает на необходимость изыскания путей снижения диссипативных потерь, включая потери в зоне пла­ стических деформаций. Эти потери могут быть существенно снижены подбором типа ВВ. Последнее должно обладать сравнительно низким начальным давлением и сравнительно большой длительностью дей­ ствия продуктов взрыва. Этим требованиям отвечают водонаполнен­ ные ВВ.

В гранитном блоке объемом 1 м3 было взорвано четыре отрезка детонирующего шнура длиной по 10 см в четырех шпурах с суммар­ ной массой тэна около 5 г, что соответствует потенциальной энергии заряда около 3000 кгс-м. Блок после взрыва распался на две равные части массой по 1300 кг. Одна часть по отношению к другой пере­ местилась на 0,1 м. Вновь образованная поверхность была равна 1 м2. В этом примере затраты энергии на вновь образованную поверхность были равны 25 кгс-м, а на перемещение 130 кгс-м, или соответ­ ственно 0,82 и 4,3% от потенциальной энергии зарядов.

О влиянии интервала замедления и схем взрывания на исполь­ зование энергии взрыва. Одним из замечательных достижений взрывного дела является короткозамедленное взрывание зарядов. С изобретением этого способа взрывания технология взрывных работ стала более совершенной. Появилась возможность отбойки за один прием сотен тысяч кубических метров горной массы. При короткозамедленном взрывании зарядов удается добиться необходи­ мой степени дробления, заданной дальности отброса породы и мини­ мальных сейсмических колебаний. Эти условия выполняются при некотором оптимальном интервале замедления, величина которого определяется экспериментально для конкретных горно-геологиче­ ских условий. При отклонении от указанной величины эффективность взрывных работ ухудшается. При оптимальном интервале замедле­ ния кинетическая энергия перемещающейся горной массы исполь­ зуется на дополнительное дробление за счет соударения. Скорость полета кусков в момент соударения достигает нескольких десятков метров в секунду, а возникающие в породе массовые скорости смеще­ ний равны половине скорости полета. В связи с этим сжимающие и в особенности растягивающие напряжения значительно больше предела прочности.

Как было показано выше, процесс разрушения всегда запазды­ вает. Поэтому при оптимальных интервалах замедления могут иметь место случаи, когда остаточные деформации или остаточные напря­ жения сравнительно велики, и последующие взрывы действуют на деформированную предварительно нагруженную породу. Было также отмечено, что прочность предварительно нагруженной породы значи­ тельно меньше ненагруженной.

188

Специально поставленные эксперименты подтвердили изложен­ ное. Из органического стекла были изготовлены стержни сечением

для отрыва свободного конца стержня при их одновременном взры­ вании. Процесс сопровождался осциллографированием напряжений по методу преломленной волны в воду. Опыты показали, что при разновременном взрывании двух таких же по величине зарядов через интервал, превышающий длительность фазы сжатия, свобод­ ный конец стержня отрывается.

Во второй серии опытов взрывали только второй заряд, и дей­ ствие первого было компенсировано действием груза, который пред­ варительно подвешивали к свободному концу стержня. Взрыв заряда приводил к отрыву свободного конца стержня. Величина растяги­

ствия заряда 40 кгс/см2. Суммарная величина растягивающих напря­ жений от действия груза и одного из зарядов была равна 73 кгс/см2, т. е. в 8,2 раза меньше предела прочности органического стекла отрыву (600 кгс/см2). Из опытов следует, что прочность материала при короткозамедленном взрывании существенно снижается.

Оптимальная величина интервала замедления при отбойке сква­ жинными зарядами диаметром 150—350 мм, установленная экспери­ ментально, составляет 25—75 мс, а при отбойке шпуровыми и сква­ жинными зарядами диаметром 32—105 мм — 15—25 мс. Поскольку при зарядах указанного диаметра длительность фазы сжатия волны напряжений составляет всего 2—12 мс, а применяемые интервалы замедления больше длительности фазы сжатия, то при соблюдении нормальных значений л. н. с. волны не накладываются друг на друга, т. е. каждый заряд или группа одновременно взрываемых зарядов оказывает на массив самостоятельное воздействие. Можно полагать, что за время, равное интервалу замедления, не только массив, но и куски, пришедшие в движение, продолжают находиться в напряженном состоянии, поэтому их сопротивляемость разрушению при соударении друг с другом много меньше сопротивляемости куска породы, разрушаемого при статическом нагружении.

Наряду с интервалом замедления важное значение имеет и схема взрывания. При рациональной схеме взрывания и оптимальном интервале замедления все три фактора — условия образования дополнительной плоскости обнажения, условия соударения и усло­ вия предварительного нагружения, являются наилучшими и обеспе­ чивают наибольшую степень дробления, необходимую высоту навала и заданную дальность полета взорванной массы.

Аналитический расчет величины оптимального интервала замед­ ления представляет большие трудности из-за неоднородности массива и сложных условий воздействия волны. Исходя из имеющихся дан­ ных о запаздывании процесса разрушения, скорости хода трещин

189