книги из ГПНТБ / Ханукаев, А. Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом
.pdfтротил
ЛП |
14 700 |
, о |
1\Р = |
— ---- |
, кгс/см2. |
|
г1,13 |
’ |
Как видно из формул, давление с расстоянием затухает быстро. На расстоянии около 50/? 0 от центра взрыва избыточное давление
Рис. 22. Зависимость избыточного давления ДР в воде от относительного расстояния г для тротила (1) и тэна (2)
составляет около 200 кгс/см2 и скорость распространения фронта ударной волны практически не отличается от скорости звуковой волны. Длина ударной волны в безграничной водной среде равна примерно 20/? о-
50
Ударная волна, образуемая зарядами цилиндрической формы, с расстоянием затухает значительно медленнее. Показатель сте
пени при этом равен 0,56 |
[14]. |
|
р |
|
ЦИЛ~ 70.56 ’ |
где В — эмпирический коэффициент. |
|
Еще медленнее затухает |
амплитуда плоской волны. На рис. 23 |
показано сопоставление давлений на фронте плоской, цилиндриче ской и сферической волны. Медленное затухание амплитуды плоской волны обусловливает далекое распространение звука. Уравнения,
связывающие друг с другом пара |
|
|
|
||||||
метры |
во |
фронте ударной |
волны |
P-10 |
|
|
|||
в воде, приведены в работе |
[14]. |
по |
|
|
|||||
Результаты |
расчета |
по этим |
100 |
|
|
||||
зависимостям |
сведены |
в |
табл. 5. |
80 |
|
|
|||
Из таблицы следует, что при |
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||
давлении |
|
около |
|
20 000— |
ВО |
|
|
||
50 000 кгс/см2 плотность воды уве |
¥3 |
|
|
||||||
личивается в 1,32—1,5 раза, ско |
|
|
|||||||
рость |
распространения |
фронта |
20 |
|
|
||||
ударной волны превышает скорость |
0 |
|
|
||||||
звука в 2 раза и более (2840—3900 |
|
|
|||||||
вместо 1460 м/с), температура во |
Рис. 23. Зависимость давления от |
||||||||
фронте |
составляет 68—184° С, а |
||||||||
местная скорость звука превышает |
относительного расстояния |
ударной |
|||||||
волны |
в воде: |
|
|||||||
скорость фронта. При давлении до |
|
||||||||
1 — плоская волна; |
2 — цилиндрическая |
||||||||
1000 кгс/см2 перечисленные пара |
волна; 3 — сферическая |
волна |
|||||||
метры по |
сравнению |
с наблюда |
|
|
|
ющимися при атмосферном давлении возрастают значительно. При
давлении 300 000 |
кгс/см2 плотность воды возрастает почти в 2 раза, |
а температура составляет 1390° С. |
|
Параметры во |
фронте ударной воздушной волны. Для расчета |
максимальной величины избыточного давления в безграничной воздушной среде при взрывании сферических зарядов тротила поль зуются формулойМ. А. Садовского, уточненной Г. И.Покровским[19],
ДР = 0,84 ^ |
- + 2 , 7 ^ 1 + ? ^ - , |
кгс/см2. |
(11.11) |
Заменяя R безразмерным расстоянием г, |
при котором |
R 0 = |
|
= 0,053|/"G, получим |
|
|
|
АР = 15,8 4 |
+ 965-^- + 46 5 0 0 -^ , |
кгс/см2. |
|
Для другого ВВ в формуле (11.11) вместо G следует подставлять
GQJQT.
4* |
51 |
Т а б л и ц а 5
Давление во |
Скорость |
Скорость |
Плотность |
Местная |
Температура |
потока з’а |
|||||
фронте волны Р, |
фронта N, |
фронтом V, |
воды р, |
скорость а, |
во фронте |
кгс/ см2 |
м/с |
м/с |
г/см8 |
м/с |
At, °С |
0 |
1460 |
0 |
1,000 |
1460 |
0 |
200 |
1490 |
13 |
1,013 |
1500 |
2,0 |
400 |
1510 |
26 |
1,024 |
1540 |
2,4 |
600 |
1540 |
40 |
1,032 |
1580 |
2,6 |
800 |
1560 |
58 |
1,040 |
1620 |
3,0 |
1000 |
1590 |
67 |
1,044 |
1660 |
3,4 |
2 000 |
1720 |
133 |
1,075 |
1860 |
5,8 |
4 000 |
1940 |
240 |
1,120 |
2160 |
14,0 |
10 000 |
2400 |
450 |
1,220 |
2660 |
35,5 |
20 000 |
2840 |
680 |
1,325 |
3200 |
68,0 |
30 000 |
3260 |
930 |
1,400 |
3720 |
105,0 |
40 000 |
3600 |
1100 |
1,450 |
4040 |
135,0 |
50 000 |
3900 |
1280 |
1,500 |
4415 |
184,0 |
60 000 |
4140 |
1430 |
1,545 |
4740 |
214,0 |
80 000 |
4600 |
1680 |
1,615 |
5162 |
300,0 |
100000 |
5000 |
1940 |
1,665 |
5600 |
400,0 |
200 000 |
6460 |
3000 |
1,850 |
7100 |
870,0 |
300 000 |
7800 |
3800 |
1,970 |
8160 |
1390,0 |
Сравнительная зависимость давления от расстояния в воздухе для тротила и тэна показана на рис. 24. Графики аппроксимиру ются формулами:
для тротила
Р = |
, кгс/см2; 40 ^ г ^ |
200; |
для тэна |
|
|
р = |
, кгс/см2; 40 =5 г |
200. |
|
/*1»65 |
|
Время действия положительной фазы давлений для сферических
зарядов тротила |
|
т = 1,5уАG j/V .Ю-3, с |
(11.12) |
или |
|
т = 5135-10-1^ » У гГ, с. |
(11.13) |
Из формул (11.12) и (11.13) следует, что по мере распространения ударной волны длительность фазы сжатия т возрастает. Это объяс няется тем, что фронт волны перемещается со скоростью N а0, в то время как ее «хвост», в котором избыточное давление равно нулю, движется со скоростью звука а0. Однако пространственная протяженность, или длина волны, остается практически постоянной, так как наряду с увеличением т наблюдается падение скорости фронта N.
52
При взрыве сферического заряда в воздухе ударная волна отры вается от продуктов взрыва на расстоянии 8-^-15R0 (в среднем на расстоянии 11 -f- 12R0). На этом расстоянии давление во фронте ударной волны АР = 100 20 кгс/см2, скорость фронта N = 3100-f- 1400 м/с, скорость потока за фронтом v = 2700-1-1100 м/с. На рас стоянии около 100.Ro от центра взрыва скорость фронта прибли жается к скорости звука.
Рис. 24. Зависимость избыточного давления в воздухе от относительного расстояния для тро тила (1) и тэна (2)
Уравнения, связывающие параметры ударной воздушной волны, приведены в работе [14]. Результаты расчета, согласно этой же ра боте, сведены в табл. 6.
Из таблицы следует, что при величине избыточного давления 5—10 кгс/см2 скорость фронта в 2—3 раза превышает скорость звука в невозмущенном воздухе, массовая плотность воздуха во фронте волны по сравнению с плотностью в невозмущенной среде возрастает более^чем в 3 раза, а температура достигает нескольких сот градусов. При величине избыточного давления 1000—1500 кгс/см2 скорость фронта составляет 10 000—12 000 м/с, а скорость смеще ния частиц во фронте 9000—10 000 м/с.
Величина давления скоростного напора АРск при избыточном давлении, равном 5 кгс/см2, становится равной величине избыточ ного давления, а при АР = 50 кгс/см2 АРСК превышает величину
53
Т а б л и ц а 6
Избыточ |
|
ное |
Скорость |
давление |
|
А Р = |
фронта |
= Р - Р о , |
N, м/с |
КГС/см8 |
|
Скорость
частиц во фронте
v, м/с
Удельный Темпера |
Местная |
|
скорость |
||
вес V, |
тураТ. |
звука а, |
кгс/м* |
К |
м/с |
Давление скорост
ного Энтропия напора A S, кал/°С ДРСК, кго/см2
0,0 |
340 |
0 |
0,123 |
288 |
340 |
0 |
_ |
0,1 |
354 |
22,6 |
0,131 |
296 |
345 |
3,42-10-3 |
0,628-10-® |
1 |
460 |
174 |
0,196 |
353 |
377 |
0,299 |
0,740-10" 3 |
2 |
555 |
287 |
0,256 |
405 |
404 |
1,06 |
6,08-Ю-з |
3 |
635 |
378 |
0,302 |
455 |
428 |
2,19 |
0,0162 |
4 |
707 |
453 |
0,343 |
503 |
450 |
3,59 |
0,0246 |
5 |
772 |
518 |
0,374 |
552 |
471 |
5,07 |
0,0320 |
10 |
1040 |
772 |
0,480 |
787 |
562 |
14,6 |
0,077 |
20 |
1430 |
1120 |
0,575 |
1 250 |
710 |
36,6 |
0,149 |
30 |
1730 |
1380 |
0,615 |
1 720 |
832 |
60,4 |
0,192 |
40* |
2020 |
1690 |
0,715 |
2 010 |
860 |
— |
— |
50 |
2270 |
1900 |
0,755 |
2 400 |
930 |
— |
— |
100 |
3147 |
2746 |
0,920 |
3 800 |
1157 |
— |
— |
200 |
4394 |
3920 |
1,110 |
5 800 |
1519 |
— |
- ' |
400 |
6130 |
5550 |
1,240 |
8 700 |
1970 |
— |
— |
600 |
7516 |
6569 |
1,380 |
10 400 |
2300 |
— |
— |
800 |
8640 |
7923 |
1,430 |
11 800 |
2615 |
— |
— |
1000 |
9700 |
8800 |
1,470 |
12 800 |
2820 |
— |
— |
* Избыточные давления от 40 кгс/смаи выше указаны по данным работы [101].
избыточного давления более чем в 2 раза, что указывает на его большую разрушительную силу. В отличие от воды местная ско рость звука меньше скорости фронта.
В табл. 6 приведены значения энтропии, величина которой опре деляется из отношения
AS = dQ/T, кал/°С,
где AQ — количество тепла, передаваемое среде, кал.
Часть указанного тепла расходуется на нагрев, а часть на расшире ние среды, что ведет к возрастанию первоначального давления. Увеличение давления, в свою очередь, ведет к возрастанию энтропии.
Параметры ударной волны в грунтах. Импульсная рентгено съемка позволила зарегистрировать процесс образования полости и фронт распространяющейся ударной волны в грунтах. На рис. 25 показаны размеры полости и положение фронта ударной волны при взрыве цилиндрического заряда тэна плотностью 1,7 г/см3 для на чальной стадии процесса (первых 16 мкс после выхода детонацион ной волны на поверхность заряда), а на рис. 26 — график скорость — время для полости и ударной волны.
Из рис. 25 видно, что длина волны в каждый момент времени
пропорциональна разности ординат кривых 2 и 1 |
(гв — гп) R 0 = А. |
и увеличивается по мере распространения волны. |
Все пространство |
54
между полостью и фронтом волны сжато и вовлечено в движение и представляет ударную волну, длина которой возрастает вследствие более высокой скорости фронта волны по отношению к скорости расширения полости.
Рис. 25. Зависимость относительных радиусов полости (1) и ударной волны (2) от времени в песке
Графики скоростей позволили рассчитать энергию ударной волны на контакте заряд — порода:
X
Е Уя = Р <Д ,р J v2 (t) dt,
О
где
X
N cp = \ $ N ( t ) d t .
о
Из графиков видно, что скорость распространения ударной волны, так же как и скорость расширения полости, в начале процесса пре вышают скорость звука в песке (650 м/с). Скорость перемещения по верхности полости на расстояние до 3R 0от центра взрыва составляет 600 м/с и более, что указывает на большой запас кинетической энер гии, приобретенный грунтом в процессе воздействия продуктов взрыва на стенки зарядной камеры и ударной волны на породу. К мо менту расширения полости до 3R 0фронт ударной волны переместился на 5,5Л0, при этом скорость фронта стала приближаться к скорости звука. Аналогичные результаты получены и при взрыве сфериче ских зарядов.
Степень затухания скорости распространения ударной волны с расстоянием зависит от свойств ВВ, формы заряда и свойств грун тов. В табл. 7 приведены данные о параметрах ударной волны при взрывании сферических зарядов прессованного тротила в различных грунтах. Они получены в результате обработки экспериментальных
55
данных работы [20]. Согласно работе [21], в грунтах плотностью 1,57 г/см3 и влажностью около 20% при взрывании сферических зарядов образуется полость радиусом 8/?0, а при взрывании цилин дрических зарядов — полость радиусом 3 0 7 ? при этом зона пер вичного трещинообразования составляет соответственно 16/?0 и 50/?0 от центра взрыва. Уплотнение грунта, или объемная дефор мация, определяемая выражением
где р — ударная сжимаемость (отношение плотности после воздей ствия взрыва к плотности до воздействия взрыва), наблю дается на значительных расстояниях от центра взрыва, при этом при взрывании цилиндрических зарядов на одних и тех же относительных расстояниях объемная деформация больше, чем у сферических.
V, м/с; N, м/с
Рис. 26. График скорость — время для полости
(/) и ударной волны (2) в песке
Из табл. 7 видно, что в песчаных водонасыщенных грунтах ско рость фронта ударной волны приближается к скорости звука на рас стоянии 40-f-60/?0 от центра взрыва, при этом степень убывания скорости тем больше, чем больше содержание воздуха в порах. Ско рости смещений и давления в грунтах по величине незначительны и составляют на расстоянии около 20/?0 всего несколько метров в секунду и несколько килограмм-сил на сантиметр в квадрате.
Для водонасыщенных песчаных грунтов с небольшим содержа нием воздуха в порах скорости смещений и давления больше.
56
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 7 |
||
Расстояния в R0 |
|
Параметры ударной волны |
|
||||
м/с |
v, м/с |
е-ю-2 |
р |
Р, кгс/см2 |
|||
|
N, |
||||||
|
П е с ч а н ы й в о д о н а с ы щ е н н ы й г р у н т |
|
|||||
|
|
(ах = |
0; р = 1,96 -г- 2 г/см3) |
|
|||
55 |
1750 |
6,1 |
0,35 |
1,003 |
|
||
100 |
1620 |
3,5 |
0,22 |
1,002 |
|
||
130 |
1600 |
2,5 |
0,15 |
1,001 |
|
||
210 |
1600 |
1,25 |
0,08 |
1,0008 |
|
||
|
П е с ч а н ы й в о д о н а с ы щ е н н ы й г р у н т |
|
|||||
|
(«! = 0,008 -f- 0,0012; р = 1,95 -н 1,99 г/см3) |
|
|||||
20 |
|
930 |
— |
—. |
— |
|
|
30 |
|
550 |
8,5 |
1,55 |
1,017 |
|
|
40 |
|
450 |
6,5 |
1,45 |
1,013 |
|
|
50 |
|
400 |
5 |
1,25 |
1,012 |
|
|
55 |
|
390 |
— |
— |
— |
|
|
|
П е с ч а н ы й в о д о н а с ы щ е н н ы й г р у н т |
|
|||||
|
(«! = 0,003 |
-г- 0,004; р = 1,88 -р |
1,9 г/см3) |
|
|||
10 |
|
490 |
— |
— |
— |
|
|
20 |
|
245 |
7 |
2,86 |
1,028 |
|
|
30 |
|
150 |
4 |
2,66 |
1,027 |
|
|
40 |
. |
130 |
3,1 |
2,38 |
1,023 |
|
|
50 |
130 |
— |
— |
— |
|
||
|
П е с ч а н ы й п е в о д о н а с ы щ е н н ы й г р у н т |
|
|||||
|
|
(w — 8 -т- 10% ; р = |
1,6 -т- 1,8 г/см3) |
|
|||
10 |
|
250 |
— |
— |
— |
5,5 |
|
20 |
|
135 |
3,75 |
2,8 |
1,027 |
||
30 |
|
100 |
— |
— |
— |
|
|
40 |
|
100 |
— |
— |
— |
|
|
|
С у г л и н о к е с т е с т в е н н о й в л а ж н о с т и |
|
|||||
|
|
(ц> = 9 |
12%; р = |
1,75 -J- 1,85 г/см3) |
|
||
5 |
|
600 |
_ |
_ |
_ |
55 |
|
10 |
|
280 |
и |
3,9 |
1,038 |
||
20 |
|
170 |
3,3 |
1,94 |
1,020 |
10 |
|
30 |
|
125 |
— |
— |
— |
|
|
40 |
|
120 |
— |
__ |
— |
|
|
|
Л ё с с е с т е с т в е н н о й в л а ж н о с т и |
|
|||||
|
|
(и> = 12 -р 15% ; р = |
1,52 -г- 1,56 г/см3) |
|
|||
5 |
|
360 |
— |
— |
— |
— |
|
10 |
|
210 |
12,5 |
6 |
1,14 |
40 |
|
20 |
|
100 |
2,5 |
2,5 |
1,025 |
4 |
|
30 |
|
90 |
— |
— |
— |
— |
|
40 |
|
90 |
— |
— |
|
|
57
Для расчета максимального давления во фронте волны в работе 120] приведена эмпирическая формула
|
|
|
f 7 ? \n' |
0,053™' |
'п, ’ кгс/см2, |
(11.14) |
||||
|
|
|
R |
) |
Г™1 |
|||||
|
|
|
г |
|
|
|
|
|||
где R — расстояние |
до |
места |
взрыва, |
м; |
|
кг. |
|
|
||
G — масса заряда |
прессованного тротила, |
грунтов |
||||||||
Значения |
кг, к 2 |
и |
п 1 для |
водонасыщенных |
песчаных |
|||||
приведены в |
табл. 8, |
а для грунтов с естественной влажностью — |
||||||||
в табл. 9. |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Содержание воздуха cti |
|
|
fci |
|
hz |
|
|
п\ |
|
|
0 |
|
|
600 |
|
10 500 |
|
1,05 |
|
||
5 1 0 - 4 |
|
|
450 |
|
37 000 |
|
1,5 |
|
||
ю - 2 |
|
|
250 |
|
89 000 |
|
2 |
|
||
4-10"2 |
|
|
|
45 |
|
69 000 |
|
2,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
9 |
|
Грунт |
Плотность р, |
Влажность W, |
|
Й1 |
|
|
||||
г/см3 |
|
|
% |
|
|
|
||||
Песчаный |
1,45-1,5 |
|
3 - 6 |
|
2,8 |
3,3 |
|
|||
» |
1,5-1,55 |
|
2 - 4 |
|
3,5 |
3,3 |
|
|||
» |
1,5-1,55 |
|
5 - 7 |
|
6 |
|
3,2 |
|
||
» |
1,52-1,6 |
|
8 - 1 0 |
|
7,5 |
3 |
|
|||
Суглинистый |
1.5-1,55 |
|
10—12 |
|
8 |
|
3 |
|
||
1,6-1,65 |
|
— |
|
8 |
|
3 |
|
|||
Глинистый |
1,7-1,75 |
|
15 |
' |
18 |
|
2,8 |
|
||
Лёссовидный |
1,34-1,38 |
|
|
|
4,5 |
2,8 |
|
|||
Для песчаных водонасыщенных грунтов формула (11.14) пригодна |
||||||||||
в диапазоне расстояний от 20 до 200i?o, |
а для грунтов естественной |
|||||||||
влажности — для расстояний от 15 до 45i?0. |
|
|
|
|||||||
Как следует из |
табл. |
8, |
с увеличением |
содержания воздуха |
в песчаных водонасыщенных грунтах показатель степени п 1 возра стает, а давления убывают. Значение п 1 для песчаных водонасы щенных грунтов без воздуха приближается к значению показателя степени п при взрывании прессованного тротила в воде (п = 1,13). С возрастанием плотности грунта и процента содержания естествен ной влаги (табл. 7) давление в грунтах возрастает.
Согласно работам [20] и [22], боковая составляющая давлений
^шах б = -^тах^т,
5 8
где кт — коэффициент, равный 0,3—0,6 для зоны остаточных дефор маций и 0,2—0,3 для зоны упругих деформаций.
Большие значения кх относятся к более тяжелым грунтам (гли нистым, суглинистым и лёссовидным), меньшие — к песчаным. Таким образом, нормальные и боковые давления существенно от личаются друг от друга. Длительность действия фазы сжатия удар ной волны для давлений меньше чем 20—30 кгс/см2, может быть вычислена по формуле
|
т = [а + &(г —1)] R0, с, |
|
|
|
|||
где R 0 — радиус |
заряда, |
м. |
|
|
10 до |
40i?0 |
|
Значения коэффициентов |
а и Ъ для расстояний от |
||||||
от центра взрыва, |
согласно |
работе |
[20], приведены в |
табл. |
10. |
||
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 10 |
||
Грунт |
Плотность р, |
Влажность, |
а*10“3 |
ь.ю-* |
|||
|
|
г/см3 |
W, % |
||||
Песчаный ............................. |
1,52—1,6 |
8 -1 0 |
80 |
|
16 |
||
Песчаный ............................. |
|
1,5 |
3—6 |
320 |
|
24 |
|
Суглинистый ......................... |
|
— |
— |
200 |
|
10 |
|
Лёссовидный ........................ |
|
— |
|
280 |
|
14 |
Как следует из таблицы, в более плотных грунтах — суглинках время действия меньше, чем в менее плотных песчаных и лёссовид ных грунтах. Как будет показано ниже, значения коэффициентов а и Ъ даже для наиболее плотных грунтов больше, чем для твердых горных пород. Из этого следует, что длительность фазы сжатия в грунтах значительно больше длительности фазы сжатия в твер дых породах. Это следует объяснить сравнительно малой плотно стью грунтов, приводящей к распаду фронта ударной волны на более далеких расстояниях. Экспериментальные значения параметров ударной волны для лёссовидных грунтов плотностью 1,56 г/см3 и результаты расчетов максимальных давлений по формуле
Пах = ^ „ ,а х ^ 1 |
(1И5) |
сведены в табл. И.
Расчетные значения давлений близки к экспериментальным, за исключением малых давлений, что связано с распадом фронта удар ной волны на далеких расстояниях и невыполнением соотношения
(11.15).
Скорости смещений частиц во фронте волны, а следовательно и давления, при взрывании цилиндрических зарядов больше, чем при взрывании сферических зарядов. Согласно работе [22], на рас стоянии 5O-|-60i?o от центра взрыва они оказались равными 10— 15 м/с (в суглинке и глине естественной влажности). Эти скорости,
59