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

Г л а в а VII

УДАРНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ ВОЛНЫ

ВГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

ИМЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ОБОРУДОВАНИЯ И СООРУЖЕНИИ

§30. Ударная воздушная волна при отбойке горных пород взрывом

Ударная во!щушная волна (УВВ), распространяясь в подземных выработках, может привести к разрушению сооружений и оборудо­ вания и к воспламенению пыле-воздушных и метано-ввздушных смесей. Разрушение вентиляционных устройств приводит к наруше­ нию вентиляционного режима, способствует широкому распростра­ нению ядовитых газов и увеличивает в 3—4 раза длительность проветривания. Это, в свою очередь, затрудняет ремонтно-восстано­ вительные работы после взрыва.

Отсутствие обоснованных методов прогнозирования ожидаемой интенсивности УВВ заставляет производственников принимать ряд мер по предотвращению разрушительного действия волн. Последнее связано со значительными материальными и трудовыми затратами и, как показывают наблюдения, не всегда оправдывает себя. Затраты на монтаж и демонтаж оборудования и на ремонтно-восстановитель­ ные работы достигают 25% затрат на проведение массовых взрывов.

В последнее время выполнен ряд работ, посвященных исследо­ ванию УВВ в подземных выработках. Это вызвано увеличением масштаба взрывов, следовательно, их возросшим разрушительным действием.

Рассмотрим процесс образования и распространения УВВ при взрывании скважинных зарядов в горных выработках, исследован­ ный на моделях с помощью скоростного фоторегистра в сочетании

сустановкой ИАБ-451. При взрыве заряда по массиву распростра­ няется ударная волна и волна напряжений. Дойдя до обнаженной поверхности, она отражается. В момент отражения на границе среда — воздух волна частично преломляется. За счет преломления образуется слабая УВВ, энергия которой составляет тысячные доли процента потенциальной энергии заряда. Далее происходит выброс из шпура забойки и газообразных продуктов взрыва (ПВ), которые резким ударом сжимают воздух, примыкающий к поверхности забоя. Образуется УВВ, которая в начальной стадии движется совместно

спродуктами взрыва. В дальнейшем по мере расширения ПВ ско­ рость их разлета падает, и наблюдается отрыв фронта УВВ, которая продолжает движение за счет запаса кинетической энергии, полу­ ченной в процессе ударного сжатия. В начальной стадии фронт волны имеет криволинейную форму.

201

Следует отметить, что в рассматриваемых случаях УВВ пере­ дается только часть энергии ПВ. Основная же часть энергии затра­ чивается на. необратимые деформации породы и на перемещение взорванной массы. Некоторая часть энергии ПВ благодаря высокому начальному давлению уходит по трещинам в глубь массива и в обра­ зовании УВВ не участвует.

a v/z/////////////////////////^

. Заряд

У777777777777777777777777Л

В y ////////////Z ///////Z //Z Z A

в выработке схематически пред­ ставлена на рисунках. Изучалось влияние стенок выработки на обра­ зование УВВ при взрыве шпурового заряда, ось которого парал­ лельна (рис. 120) или перпендикулярна (рис. 121) оси выработки.

Из этих рисунков видно, что образованию УВВ с плоским фрон­ том предшествует выброс забойки и ПВ, расширение ПВ, образова­ ние и отделение криволинейного фронта УВВ от ПВ.

Взаимодействие криволинейного фронта волны со стенками вы­ работки приводит к образованию сложной волновой картины. Обра­ зуется отраженная волна (фаза г, на рис. 120 и 121), которая дви­ жется в среде, сжатой и сильно нагретой прошедшей прямой волной. Поэтому отраженная волна движется с большей скоростью, нагоняет прямую и сливается с ней. Происходит нерегулярное отражение.

202

Результатом последнего является образование систем тройных кон­ фигураций, состоящих из прямой, отраженной и головной волн с общими тройными точками (фаза д, на рис. 120 и 121). В ходе после­ дующих стадий нерегулярного отражения происходит полное сли­ яние прямой и отраженной волн — образуется плоский фронт голов­ ной УВВ (фаза е, на рис. 120 и 121).

Известно, что при нерегулярном отражении избыточное давление на фронте головной волны превышает давление во фронте любой из исходных волн (прямой или отраженной) за счет слияния. Пос­ леднее позволяет сделать вывод, что параметры УВВ определяются

Рис. 122. Схема развития процесса воспламенения метано-воздушной смеси под воздействием отраженной волны:

не только количеством энергии, переданной воздуху ПВ в процессе ударного сжатия, но и процессами взаимодействия фронта волны со стенками выработки.

При взрывании группы зарядов процесс образования УВВ услож­ няется за счет взаимодействия фронтов волн отдельных зарядов или серии зарядов.

В условиях воспламенения угольно-воздушной и метано-воздуш­ ной смеси УВВ поднимает осевшую горючую пыль. С увеличением интенсивности УВВ вероятность воспламенения пыле-воздушной или метано-воздушной смеси увеличивается. Характерной чертой условий воспламенения при наличии на пути УВВ преград является остановка потока на преграде, ее разогрев и воспламенение. Схема развития процесса воспламенения метано-воздушной смеси на рас­ стоянии 17i?0 от центра взрыва заряда аммонита ПЖВ-20 показана на рис. 122, из которого видно, что очаг воспламенения возникает у стенки, укрупняется и в дальнейшем распространяется в напра­ влении движения отраженной волны. Таким образом, и отраженная

УВВ может рассматриваться как самостоятельный очаг воспламе­ нения.

Образование УВВ с плоским фронтом при взрывании шпуровых (скважинных) зарядов в горных выработках дает возможность

203

принять в качестве исходной следующую зависимость для определения избыточного давления во фронте плоской волны:

где R — расстояние от центра заряда до точки измерения, м;

е— плотность потока энергии плоской волны, кал/см2;

а— коэффициент, учитывающий потери энергии волны на тре­

ние о стенки выработки; d — диаметр выработки,

S — площадь поперечного сечения выработки, м2.

Плотность потока энергии е во фронте плоской волны при взры­

где qT — тротиловый эквивалент заряда применяемого ВВ, кг; QT — удельная теплота взрыва тротила, кал/кг.

где qt — масса заряда применяемого ВВ, кг;

Q; — удельная теплота применяемого ВВ, кал/кг.

Анализ зависимости (VII.1) показывает, что для определения избыточного давления во фронте плоской УВВ при взрывании сква­ жинных зарядов в горных выработках необходимо знать величину коэффициента потерь энергии волны на трение а и плотность потока энергии е, определяемые экспериментально. С этой целью были проведены замеры максимальных избыточных давлений во фронте плоской УВВ при взрывании открытых и скважинных зарядов в опытных штольнях и подземных выработках [86, 87]. Взрывали открытые заряды тротила и аммонита № 6ЖВ массой 0,8—100 кг и скважинные заряды аммонита № 6ЖВ общей массой 3,2—1200 кг. Диаметр скважин 65 мм, длина 8—12 м.

Для регистрации максимальных давлений во фронте УВВ исполь­ зовали электронную регистрирующую аппаратуру и мембранные измерители давления (МИД-2), а также пьезоэлектрические датчики. Расшифровку максимальных избыточных давлений, измеренных с помощью МИД-2, осуществляли по тарировочным кривым «избы­ точное давление УВВ — прогиб мембраны».

204

Наличие экспериментальных данных о величинах избыточного давления УВВ ДР при взрывании открытых зарядов (рис. 123) в выработках позволило определить величину коэффициента потерь энергии на трение из выражения (VI1.1):

0,29 i + « ' V T

Результаты расчетов показали, что для незакрепленной выра­ ботки коэффициент потерь энергии а, составляет 0,045—0,063.

Плотность потока энергии е УВВ при взрывании скважинных зарядов в выработках по измеренным давлениям определяли на основании приближенного решения для плоского заряда в воздухе. Это решение представлено в следующем виде:

V

(VII.2)

где г — безразмерная координата фронта волны;

q0 — отношение скорости звука в невозмущенной среде аг к ско­

p — показатель адиабаты, равный для воздуха 1,4. Скорость фронта УВВ

N = 340 у Т + 0,83 ЛРП, м/с,

где ДРП — избыточное давление на фронте плоской УВВ при взрыве заряда вне канала, кгс/см2.

205

Избыточное давление УВВ, измеренное в экспериментах, с учетом затухания за счет потерь энергии на трение на стенках выработки,

АРП= — —— кгс/см2.

-0 , 0 4 5 ■—

еd

Безразмерная координата фронта волны

где Гф — координата фронта, м; е-— плотность потока энергии, кгс - м/см2;

Р 0 — давление невозмущенного воздуха, кгс/см2.

Приравнивая выражения (VII.2) и (VII.3) при v = 1, получим

________ Яд ^ Гф

е = -------------г-----------, кгс • м/см2.

Яд

Полная энергия УВВ, распространяющейся в горной выработке,

E n = eS, кгс*м,

Отношение полной энергии УВВ к потенциальной энергии заряда

принято за условный коэффициент, учитывающий переход энергии взрыва в УВВ:

r\= E jE g ,

где Е0 — потенциальная энергия заряда (Е 0 = qTQT-427, кгм).

Результаты вычислений показали, что величина ri составляет

0,012-0,014.

С учетом полученного значения ц плотность потока энергии УВ В при взрывании шпуровых и скважинных зарядов может быть опре­

где elf е2 — плотность потока энергии УВВ при взрывании откры­ того заряда в сквозной выработке и в тупике выра­ ботки, кал/см2.

206

Зависимости (VII.4) и (VII.5) позволяют построить график изме­

Из практики работы горнорудных предприятий известно, что УВВ, образовавшаяся при обрушении потолочин в камерах, явля­ лась причиной аварий и несчастных случаев.

& Р, k z c J cm 2

Рис. 124. Зависимость из­ быточного давления во фронте УВВ от отношения R/ 8 при взрывании сква­ жинных зарядов в выра­

ботке

Скорость движения воздуха в камере зависит от скорости падения потолочины, которая может быть вычислена по закону свободного падения тела. Принимая массовую скорость движения воздуха равной скорости падения потолочины, по известным формулам можно определить избыточное давление во фронте УВВ.

Следует отметить, что процесс образования УВВ при обрушении потолочины сложен. Это объясняется тем, что обрушение может

207

происходить последовательно частями. В этом случае по выработкам распространяется система волн, которая при определенных усло­ виях может привести к образованию значительной по интенсивности УВВ. Еще более сложным является процесс образования УВВ при принудительном обрушении потолочины с помощью взрывных работМетоды расчета ожидаемых давлений при обрушении потолочин и мероприятия по уменьшению разрушительного действия УВВ приведены в работах [100 и 102].

§ 31. Закономерности распространения ударных воздушных волн в горных выработках

Обобщение литературных данных и выполненные исследования позволяют привести зависимость давления и длительности дей­ ствия фазы сжатия ударной воздушной волны в функции от рассто­ яния.

1. Величина избыточного давления во фронте волны при взрыве заряда ВВ:

для открытого заряда

АР = (о,29-^--f-0,76 ] /^ - ) е “ d , кгс/см2,

где а = 0,045;

для скважинного или шпурового заряда

АР = ^0,29 -^- + 0,76 j / ^ - j e а а , кгс/см2.

2. Величина избыточного давления во фронте волны с учетом наличия сопряжений

АРС= APjm^ кгс/см2,

где m-i — коэффициент затухания (для сопряжений под углами 45, 90 и 135° соответственно равен 1,82; 1,60 и 1,35).

3.Величина избыточного давления во фронте волны при переходе

из выработки большого сечения в выработку меньшего сечения

АРм = АРб/й, кгс/см2,

где АР6 — избыточное давление во фронте УВВ в выработке боль­ шего сечения, кгс/см2;

й — коэффициент усиления, определяемый из графика

(рис. 125).

208

4. Величина избыточного давления во фронте волны при переходе из выработки меньшего сечения в выработку большего сечения

АРб= k P J k oc, кгс/см2,

где кос — коэффициент ослабления, определяемый из графика

(рис. 126).