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

ВВ или импедансу ВВ. Ширина зоны химической реакции по мере возрастания скорости детонации убывает. Это должно приводить к росту скачка давления во фронте ударной волны в породе и к рез­ кому поглощению энергии в ближней зоне взрыва.

К сожалению, экспериментальные данные о длительности фазы сжатия детонационной волны отсутствуют. Однако можно пола­ гать, что она пропорциональна концентрации энергии в единице объема, так как длительность расширения полости и длительность фазы сжатия ударной волны возрастали пропорционально этой величине.

Параметры детонационной волны существенно зависят также от формы заряда. При одинаковых размерах сферического, цилин­ дрического и плоского заряда и одинаковой плотности ВВ (например, при диаметре 60 мм и толщине плоского заряда 60 мм) наименьшей скоростью детонации и наименьшей скоростью разлета продуктов взрыва за фронтом детонационной волны обладает сферический,

анаибольшей — плоский заряд. Для аммонита ПЖВ-20 плотностью

ВВ1 г/см3 эти данные приведены в табл. 16 [32].

Из таблицы следует, что для зарядов одинаковой толщины (60 мм) величина давления во фронте детонационной йолны у плоского заряда максимальна, а у сферического минимальна. Эти различия обусловлены геометрическим расхождением распространяющейся по ВВ детонационной волны. В сферических зарядах диаметром 60— 80 мм химическая реакция протекает в переменном режиме, тогда как в плоском заряде — в установившемся, а в цилиндрическом заряде — в промежуточном. Параметры t, а и К в исследованном диапазоне мало зависят от диаметра заряда.

70

Из изложенного следует, что заряд плоской формы обладает большей энергией (поскольку химическая реакция протекает более полно) и способен возбуждать в породе ударную волну большей интенсивности и энергии.

Наличие прочной оболочки уменьшает химические потери в зоне реакции, поэтому скорость детонации и другие параметры до из­ вестного предела тем больше, чем прочнее оболочка.

Форма ударной волны, распространяющейся в породе, анало­ гична форме детонационной волны в ВВ. Точка резкого изменения скорости смещения за фронтом ударной волны в породе соответ­ ствует точке Чепмена-Жуге за фронтом детонационной волны. Энергия, передаваемая породе зоной химической реакции, хотя и существенна, но составляет лишь незначительную часть от общей энергии ударной волны.

Уравнения, устанавливающие взаимосвязь между детонацион­ ными характеристиками ВВ и параметрами ударной волны в породе, в зависимости от акустической жесткости породы и импеданса ВВ приведены в работе [17]. Анализ указанных уравнений показывает,

71

что они дают практически одинаковые результаты, поэтому ограни­ чимся формулой

(11.26)

где u -l— скорость продуктов детонации за фронтом детонационной волны;

К — показатель изэнтропы;

.Рдет — давление во фронте детонационной волны;

(11.27)

Квадрат массовой скорости продуктов детонации, согласно ра­ боте [17],

72

Обозначив Ybb/Voчерез р, a D!C0 через D и подставив их в уравне­ ние (11.29), получим

(11.30.)

При известных К и р легко получить D, а затем по выражению

(11.27) можно определить давление Р и Рпор на контакте заряд — поста (у0 и С0 соответственно удельный вес и скорость звука цороды).

Полученные по расчету давления для ряда пород и различных ВВ были сопоставлены с пределом прочности породы в условиях дина­

порода превышают пределы прочности одноосному статическому сжатию, умноженному на 100. Из этого следует, что используемые на практике ВВ не соответствуют рациональному режиму взрывания и что научному обоснованию выбора типа ВВ должно быть уделено серьезное внимание.

О закономерностях изменения параметров ударной волны в по­ роде с расстоянием. Данные об изменении параметров ударной волны с расстоянием необходимы для сопоставления с данными о размерах зон разрушения в ближней зоне взрыва. Такое сопо­ ставление позволит установить пределы прочности породы в зоне чистого сжатия — зоне пластических деформаций и в зоне неравно­ мерного нагружения — зоне первичного трещинообразования, опре­ делить затраты энергии в указанных зонах и на этой основе наметить пути повышения использования энергии взрыва.

Первые осциллограммы ударной волны в зоне до 12 R 0 от центра взрыва были получены для сферических зарядов тэна плотностью 1600 кг/м3 в органическом стекле плотностью 1170 кг/м3 и ско­ ростью звука 2700 м/с [26]. Они приведены для радиальной соста­ вляющей напряжений на рис. 36, а для тангенциальной — на рис. 37. Просмотр осциллограмм для расстояний до 57?0 показывает, что форма фронта ударной волны искажена. Последнее объясняется тем, что для регистрации давлений были использованы турмалино­ вые датчики, обладающие пироэффектом при давлениях более 1000 кгс/см2. Более точные графики «скорость смещений — время» получены для сферических и цилиндрических зарядов тэна различ­ ной плотности с помощью импульсной рентгеносъемки.

Такие графики для мрамора и горючего сланца, для сферических зарядов тэна плотностью 1,3 и 1,5 г/см3 показаны на рис. 38 и 39. Регистрацию скоростей смещений производили одновременно в не­ скольких точках с помощью реперов, введенных в образец на раз­ личные расстояния от центра взрыва. Результаты расчета энергии ударной волны и коэффициента перехода энергии в породу сведены в табл. 17. ,

73

Как видно из таблицы, наиболее резкое затухание энергии на­ блюдается на расстоянии до 2R 0 от центра взрыва. Коэффициент перехода энергии в ударную волну выше для мрамора, йесмотря на то, что плотность заряда в горючем сланце была больше. Это

ных скоростей смещения частиц во фронте ударной волны (м/с), замеренные с помощью импульсной рентгеносъемки (l-j-3i?0) и с помощью пьезоэлект­ рических датчиков давления по методу

преломленной в воду волны (5 и 1(Ш0), для горючего сланца составили

Данные об изменении параметров ударной волны с расстоянием в мраморе для цилиндрических зарядов тэна плотностью 1,7 г/см3 приведены в табл. 18.

На расстоянии 4R n скорость распространения возмущений больше скорости звука (6200 м/с). Кинетическая энергия единицы массы

74

с расстоянием убывает очень быстро и на расстоянии 4R Q составляет менее 10 % от первоначальной.

Из приведенных данных о параметрах ударной волны в ближней зоне взрыва следует, что скорости смещений, давления, ударная

сжимаемость, кинетическая энергия единицы массы, а также полная энергия ударной волны с расстоянием быстро затухают, в особен­ ности на расстояниях до 2-|-3i?0 от центра взрыва. Несколько медленее затухает скорость распространения ударной волны. На расстоя­ нии 3R 0 от центра взрыва угасание полной энергии ударной волны для мрамора составило около 20%, а для горючего сланца около 35% от первоначальной (табл. 17). Полная энергия ударной волны во всей ближней зоне взрыва в крепких породах выше, чем в мягких, хотя скорости смещений в последних выше, чем в первых. Коли­ чество энергии, передаваемое породе, тем больше, чем больше мощ­ ность ВВ.

75

Сравнительно большое число опубликованных данных об изме­ нении величины давления с расстоянием позволяет сделать неко­ торые обобщения. Для приближенных оценок давлений (напряже­ ний) и коэффициента затухания давлений (напряжений) с расстоя­ нием в твердых породах можно воспользоваться выражением, при­ веденным в работе [33]:

Р (и) = Рйач/ГП, КГС/СМ2,

где Рнач — давление на контакте заряд — порода;

л = 2 ± а = 2 ± —^— , 1 -р

р, — коэффициент Пуассона.

Знак плюс соответствует зоне, в которой распространяется ударная волна, знак минус — зоне, в которой распространяется волна напряжений. В зоне пластических деформаций р = 0,5, по­ этому п = 3; в зоне упругих деформаций в зависимости от свойств пород р = 0,1-/-0,4, поэтому п = 1,9-^-1,35.

Наибольшие давления наблюдаются в твердых породах, наи­ меньшие — в воздухе, воде и грунтах, при этом в ближней зоне взрыва степень затухания достигает наибольших значений в воз­ духе, воде и грунтах (3,9—2,9) и наименьших — в твердых породах (3,0—1,9). При прочих равных условиях степень затухания наи­ меньшая у зарядов плоской формы, наибольшая у зарядов сфери­ ческой формы.

Из анализа физических явлений следует, что степень затухания должна быть функцией трех условий взрывания — свойств ВВ, свойств породы и формы заряда.

Применяемые для отбойки горных пород ВВ образуют давления и напряжения, в 10 раз превышающие предел прочности пород сжатию. Во многих случаях это приводит к непроизводительным

76

Г л а в а III

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ НАПРЯЖЕНИИ В ТВЕРДЫХ ПОРОДАХ В СРЕДНЕЙ И ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ ВЗРЫВА

Волна напряжений отличается от ударной волны скоростью рас­ пространения. У волны напряжений максимум амплитуды отстает от момента вступления. На больших расстояниях от центра взрыва (140-f-600i?0 и далее) ее форма приближается к форме обычных звуковых колебаний.

В главе рассматривается только фаза сжатия, хотя в разрушении участвует и фаза растяжения. Роль последней изучена недостаточно.

§ 9. Параметры волны напряжений в твердых породах

Волна напряжений имеет следующие параметры.

1.Длительность фазы сжатия т, определяемая по осциллограмме,

2.Длину волны X = хС0, м, где С0— скорость распространения

4. Максимальную радиальную составляющую напряжений и мак­

5.Величину смещения частиц за время действия фазы сжатия

волны длительностью т

т

О

(интеграл находится графически). 6. Удельный импульс

т

О

78

(Интеграл находится графически). 8. Полную энергию волны

En —EyAS, кгс-м,

где S — полная поверхность фронта волны, м2.

§10. Закономерности распространения волны напряжений

втвердых породах

Данные о параметрах волны напряжений имеют большое значе­ ние, так как основной объем пород разрушается ее энергией. Более

род. Значительное влияние на параметры волны оказывают условия взрывания заряда в шпуре или скважине: форма заряда, наличие или отсутствие зазора между зарядом и породой, наличие или от­ сутствие забойки в незаряженной части шпура или скважины, абсолютные размеры заряда — диаметр, отношение длины заряда к его диаметру, одновременность или разновременность взрывания зарядов и др.

Для иллюстрации характер изменения параметров волны напря­ жений при взрывании одиночного удлиненного заряда в зависимости от типа взрывчатого вещества и свойств породы (при прочих равных условиях) рассмотрим экспериментальные данные для трех типов взрывчатых веществ, взорванных в одной и той же породе и данные для одного и того же типа взрывчатого вещества, взорванного в трех разных породах.

Влияние типа ВВ на параметры волны напряжений. Для цилин­

диабазах плотностью 3 г/см3 и скоростью распространения про­ дольной волны С0 = 5700 м/с замеренные значения параметров волны напряжений в диапазоне расстояний от 60 до 1407?0 приведены на рис. 40, 41 и 42.

Из трех указанных взрывчатых веществ наибольшей теплотвор­ ной способностью и мощностью обладает детонит, наименьшей — аммонит.

79