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

На рис. 41 и 42 даны значения, приведенные к заряду радиусом 1 м, поэтому на оси ординат показаны вместо т и Е их приведенные значения т/R 0, E/R0. Для перехода от приведенных значений к кон­ кретным величины, указанные на графике, необходимо помножить на радиус заряда, выраженный в метрах.

По величине т можно вычислить длину фазы сжатия волны, а по величине ктах — максимальные напряжения.

Из графиков видно, что с увеличением мощности взрывчатого вещества параметры волны напряжений возрастают.

На рис. 43 показаны графики «напряжение — время» для ра­ диальных напряжений в функции от расстояния для аммонита в гра­ ните. Форма волны изменяется по мере ее распространения. Перед­ ний фронт становится менее крутым, максимум отстает от момента вступления, амплитуда убывает, длительность возрастает. Возра­ стание длительности фазы сжатия по мере удаления волны от центра взрыва наблюдается лишь до определенного расстояния —до 400 -5 0 0 й 0 от центра взрыва. На более далеких расстояниях волна при­

нимает форму, аналогичную форме звуковой волны: фаза сжатия и фаза растяжения становятся одинаковыми и равными друг другу по форме, амплитуде и длительности.

Влияние свойств твердых пород на параметры волны напряже­ ний. При взрывании одного и того же типа ВВ в породах с примерно одинаковой акустической жесткостью скорости смещений по вели­ чине близки друг к другу. То же относится к длительности фазы сжатия волны напряжений и к другим ее параметрам.

В породах с резко отличающимися акустическими жесткостями скорости смещений существенно отличаются друг от друга (рис. 44). У пород с малой акустической жесткостью скорости смещений в ближ­ ней зоне больше, но радиальные напряжения меньше [см. формулу (III.1)], при этом меньше и величина удельной энергии (рис. 45). Таким образом, свойства пород оказывают существенное влияние на параметры волны напряжений.

Параметры волны напряжений удлиненных зарядов. Одновре­ менно взрываемые удлиненные заряды, названные нами группо­ выми, при их расположении в один ряд на расстоянии 60-j-70i?o друг от друга начинают взаимодействовать лишь после встречи фронтов волн (начиная с расстояния 30-/-35Ло). До этого каждый из зарядов действует самостоятельно.

На рис. 44 и 45 в логарифмическом масштабе приведены графики максимальных радиальных скоростей смещения частиц за фронтом волны и приведенной плотности потока энергии для расстояний более 20i?„ в известняке для одиночных и групповых зарядов зерногранулита 50/50 и в угле для одиночных зарядов угленита Э-6. Из графиков видно, что на расстоянии 70-)-80i?0 скорости смещений у групповых зарядов в 2 раза больше, чем у одиночных, а приве­ денная удельная энергия — в 2,5 раза больше.

На основании экспериментальных данных получены следующие эмпирические зависимости для известняка [34].

Формулы справедливы для расстояний от 60 до 360Д 0. Приведенная длительность фазы сжатия волны напряжений для

одиночных и групповых удлиненных зарядов примерно одинакова

Вычисленные по формулам (III.2)—(III.10) значения максималь­ ных радиальных скоростей смещений и приведенной длительности фазы сжатия волны напряжений справедливы для пород с акусти­ ческой жесткостью около 10 -т-15 • 105 гс • см/см3 • с.

Из формул и графиков следует, что параметры волны напряже­ ний групповых зарядов убывают с расстоянием медленнее одиночных, что можно объяснить различиями в форме фронтов волн. При одно­ временном взрывании группы зарядов фронт волны (на расстояниях более 35R 0) является общим для всех и его можно считать плоским. Затухание энергии плоских волн не зависит от геометрического расхождения и обусловлено только потерями на рассеивание при отражении от неоднородностей, пустот и трещин и потерями на тре­ ние благодаря смещению частиц относительно первоначального поло­ жения. Затухание же энергии волны одиночных зарядов, у которых

форма фронта близка к цилиндрической или сферической, зависит как от свойств среды, так и от геометрического расхождения.

Обработка экспериментальных данных показывает, что танген­ циальная составляющая скорости смещений для зарядов цилиндри­ ческой и сферической формы на расстоянии 70-|-807?о в 2—3 раза меньше радиальной составляющей. Из этого следует, что известная из теории зависимость

стф = or (1 — 2Ъ2), кгс/см2,

где Ъ = CSIC0, aCs — скорость распространения поперечной волны, справедлива для приближенных расчетов тангенциальной соста­ вляющей компоненты напряжений (на указанных расстояниях от центра взрыва).

Важное значение имеют данные о параметрах волны напряжений в угольном массиве, так как они позволяют судить о возможности переуплотнения ВВ в шпурах при короткозамедленном взрывании зарядов. При взрывании удлиненных зарядов угленита Э-6 в пласте угля со скоростью распространения продольной волны от 1500 до 2000 м/с были отмечены следующие особенности.

Длительность фазы сжатия волны напряжений при взрывании одиночных зарядов на одних и тех же относительных расстояниях, выраженных в радиусах заряда, в угле оказалась больше, чем в по­ родах крепких и средней крепости, а именно

т = [75 -|-1,7 (7— 1)] 7?0, мс.

На сравнительно близких расстояниях скорости смещений и ве­ личина смещений в угле больше, а плотность потока энергии меньше, чем в крепких породах. Указанные особенности объясняются свой­ ствами угольного пласта и угля.

Полная энергия волны напряжений в угольном пласте при взры­ вании угленита Э-6 на расстоянии 207? составила всего 3 % от по­ тенциальной энергии заряда, тогда как в крепких породах она равна 15—20%, что указывает на весьма сильное поглощение энергии при распространении волны в угольном пласте. На расстоянии 0,6—0,7 м от заряда (33-f-397?0) величина смещений при взрывании одиночных зарядов угленита Э-6 составила 3 мм, а при взрывании групповых зарядов 6 мм (для ПЖВ-20 соответственно 6 и 12 мм). Указанные величины значительно больше зазора, оставляемого между патроном ВВ и стенкой шпура, что должно вести к переуплот­ нению ВВ и, как следствие, к отказам и выгораниям. Это указы­ вает на весьма неблагоприятные условия взрывной отбойки угля. Во избежание воспламенения метана и угольной пыли из-за выго­ раний ВВ необходимо изыскание новых технологических приемов заряжания и забойки. Эти рекомендации приводятся ниже.

Параметры волны напряжений сферических и сосредоточенных зарядов. На основании непосредственных замеров получены данные о параметрах волны напряжений при взрывании сферических зарядов

84

тэна и тротила и сосредоточенных зарядов аммонита № 6 в различ­ ных породах [И].

При взрывании одного и того же типа ВВ в породах различной крепости (известняке, мраморе, граните, диабазе) скорости смеще­ ний в диапазоне расстояний от 20 до 120/?0 от центра взрыва для сферических зарядов примерно однаковы.

Из формулы (III.1) следует, что при постоянной скорости смеще­ ния частиц напряжения в породе тем больше, чем больше акусти­ ческая жесткость пород.

Длительность действия на одних и тех же расстояниях больше для пород мягких и меньше для крепких. То же относится к вели­ чинам смещений частиц w.

Рис. 46. Совмещенные графики зависимости приведенной длитель­ ности действия волны напряжений при взрыва­ нии удлиненных и сосре­ доточенных зарядов ам­ монита № 6 в граните

При взрывании различных типов ВВ в одной и той же породе ско­ рости смещений частиц за фронтом волны, длительность действия фазы сжатия, величина смещений и плотность потока энергии ока­ зались больше у ВВ с большой теплотворной способностью, а у ВВ с одинаковой теплотворной способностью больше у тех, которые обладают большей скоростью детонации (за исключением длитель­ ности действия фазы сжатия). На одинаковых относительных рас­ стояниях все параметры волны напряжений у сосредоточенных зарядов аммонита № 6 меньше, чем у удлиненных.

Для расчета параметров волны сосредоточенных и удлиненных зарядов аммонита № 6 в граните можно пользоваться следующими формулами:

для длительности фазы сжатия (рис. 46):

W P = [25 + 0,134 (г—1)] Д0, мс;

тудл= [50 + 0,21 (г — 1)] R0, мс;

85

для скоростей смещений частиц (рис. 47)

Формулы справедливы для сосредоточенных зарядов на расстоя­ ниях от 20 до 1207?0 и для удлиненных — от 60 до 2407?0 от центра

взрыва.

Для сосредоточенных зарядов гранулированного тротила массой 1000 и 10 000 кг, заложенных на глубину 127?0 и более, для гранита плотностью 2,7 г/см3 и скоростью распространения продольной волны 5000 м/с в работе [35] приводится следующая зависимость для расчета максимальных радиальных напряжений:

где G — масса одновременно взрываемых зарядов, кг. После замены \^ G ж г равными им выражениями

0 ^ 5 - и г7?0 получим

о г —10 8j50/r2, кгс/см2.

По величине т, приведенной на рис. 46, и величине а г, приве­ денной в табл. 1 работы [35], были выполнены приближенные расчеты полной энергии ударной волны и волны напряжений. Для расстояния 17?о от центра взрыва она оказалась равной 50—60% от потенциальной энергии заряда, а на расстоянии 257?„ — 10 %. '

86

Эти расчеты вполне согласуются с приведенными выше, что указы­ вает на удовлетворительную сходимость результатов при взрывании

Несколько замеров удалось выполнить на расстоянии ЮД0 от центра взрыва. Для удлиненного заряда аммонита в диабазе скорость сме­ щения оказалась равной 40 м/с, что в несколько раз превышает скорость смещения сосредоточенных зарядов.

Влияние длины и формы заряда на параметры волны напряже­ ний в твердых породах. Экспериментально установлено, что пара­ метры волны цилиндрического заряда на одном и том же расстоянии от центра взрыва возрастают по мере увеличения отношения длины заряда к его диаметру. Однако возрастание наблюдается лишь до определенного предела, т. е. до величины отношения, равного 30^-40#;. При дальнейшем увеличении отношения параметры про­ должают оставаться постоянными [36]. Таким образом, заряды*

* Замеры производили на расстоянии 140 R 0 от центра взрыва.

87

с отношением длины к диаметру, равным 15—20 и более, следует считать удлиненными.

У сферических зарядов (сосредоточенных) параметры волны с расстоянием затухают быстрее, чем у удлиненных. Это объясняется тем, что поверхность сферической волны с увеличением расстояния г растет пропорционально г2, а поверхность цилиндрической волны — пропорционально г.

На интенсивность затухания влияет также длина волны или величина, обратно пропорциональная ей, — частота. У сосредоточен­ ных зарядов частота больше. Известно, что с возрастанием частоты потери, обусловленные рассеиванием и трением, возрастают.

§ 11, Параметры волны напряжений сближенных скважинных зарядов

В последние несколько лет на ряде карьеров для преодоления сравнительно больших сопротивлений по подошве (15—20 м) стали применять сближенные заряды [37].

Рис. 49. Зависимость длитель­ ности положительной фазы волны напряжений при взрывании удли­ ненных зарядов аммонита № 6ЖВ в диабазе:

На рис. 49—52 показаны результаты замера параметров волны напряжений при взрывании одиночных и сближенных зарядов ам­ монита № 6 ЖВ. Расстояния между скважинными зарядами были равны &2£о.

На оси абсцисс указанных графиков показаны приведенные

В диапазоне значений от 1 до Ш графики аппроксимируются следующими зависимостями.

Для фазы сжатия волны напряжений: одиночные заряды диаметром 160 мм

т оД 1бо = 2 + 0,77 (Я — 1), мс;

88