книги из ГПНТБ / Кутузов, Б. Н. Взрывные работы учебник

6

Г л а в а V I I

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ

§ 51. Основные понятия

Для разрушения (взрывания) массива горных пород при про­ ходке в них выработок или при их дроблении для добычи приме­ няют заряды ВВ, которые различают:

расположенный внутри (в шпуре, скважине или камере) взрываемого объекта. Наружные заряды применяют для дробления негабарита,

а ö в г

Рис. 94. Проявление действия взрыва различных зарядов

К удлиненным относят заряды, у которых отношение ширины к высоте составляет более 1 : 3 . В зависимости от физико-механических свойств пород, типа ВВ и диаметра заряда соотношение между диаметром и длиной может изменяться; при взрывных работах преимущественно применяются удлиненные заряды;

181

р ы х л е н и я (рис. 94, в) ■— вызывающий дробление породы; з а- р я д в ы б р о с а (рис. 94, г) — вызывающий дробление и выброс породы за пределы воронки взрыва. Изменение характера действия взрыва заряда может быть достигнуто путем уменьшения глубины заложения заряда постоянной массы (рис. 95, а) и путем увеличения массы заряда при постоянной л. н. с. (рис. 95, б).

Рис. 95. Способы изменения характера действия взрыва

При взрывах зарядов рыхления и выброса в массивах горных пород образуется углубление, которое принято называть воронкой взрыва. Очертание воронки зависит от свойств взрываемой среды. При теоретических исследованиях одиночных сосредоточенных за­ рядов форму воронки взрыва принимают в виде опрокинутого конуса

вращения с вершиной в центре

В зависимости от величины показателя действия взрыва раз­ личают заряды (см. рис. 96): нормального выброса при п = І и уси­

Непосредственно в районе заложения заряда под действием удар-

182

ных волн и высокого давления газов взрыва образуется зона сжа­ тия или измельчения. В пределах этой зоны происходит раздавлива­ ние и измельчение породы с образованием в месте расположения заряда полости определенных размеров. Порода полностью меняет свой вид, превращаясь в мелко раздробленную массу.

За пределами зоны измельчения происходит дробление породы, разделение ее трещинами без изменения ее структуры. Эта зона называется з о н о й р а з р ы х л е н и я или трещинообразования. В более отдаленных от заряда участках массива происходит только сотрясение породы без заметного разрушения. Эту часть среды называют з о н о й с о т р я с е н и я .

При взрывных работах в горном деле практическое значение имеет совокупность зон сжатия и рыхления, называемая общим

§ 52. Разрушение массива пород взрывом одиночного заряда

Все породы по развитию процесса разрушения можно разделить на три группы: грунтовые массивы, крепкие монолитные массивы и трещиноватые массивы. Характеристика процесса разрушения каждой группы пород может быть дана следующим образом:

Грунтовые массивы: пески, супеси, некоторые глины и суглинки, которые разрушаются в результате запаса кинетической энергии, приобретенной средой при расширении газообразных продуктов взрыва. Разрушения под действием волн напряжений в этих породах незначительны. Последовательность разрушения грунтового мас­ сива показана на рис. 97 и характеризуется следующим. При взрыве вокруг заряда образуется шаровая полость (рис. 97), заполненная газами взрыва, которая в дальнейшем приобретает асимметриче­ скую грушевидную форму с большой осью, направленной по линии наименьшего сопротивления. Изменение формы полости объясняется различной сопротивляемостью перемещению участков массива. В ниж­ ней части полости расширение быстро прекращается, в то время как размеры верхней части полости увеличиваются, уменьшая толщину слоя грунта, поднимаемого над полостью. В момент, близ­ кий к концу взрыва, оболочка прорывается в верхней части полости, и дальнейшее движение породы происходит в результате свободного полета отдельных частиц. В процессе падения породы формируется открытая воронка. У краев воронки образуется гребень из разру­ шенной породы. Часть ее сползает вниз, придавая воронке угол естественного откоса и уменьшая ее объем.

Крепкие монолитные массивы. При рассмотрении процесса пред­ полагается, что скорость детонации ВВ значительно выше скорости деформации породы. Поэтому поверхность породы воспринимает действие взрыва одновременно по всей площади соприкосновения заряда с последней.

183

Вблизи заряда породы быстро сжимаются и смещаются вслед за фронтом волны деформации. В результате этого образуется зона сильно деформированной породы (рис. 98) с системой многочисленных пересекающихся трещин, полностью изменяющих ее структуру. В этой зоне порода находится в состоянии неравномерного всесто­ роннего сжатия.

По мере удаления от заряда напряжения в волне сжатия быстро

ний среды изменяется.

обеспечивают появление радиальных трещин (рис. 99). Кроме того, порода под действием высокого давления деформируется и радиусы г 4 и г2 условно выделенных вокруг заряда сфер увеличатся, в резуль­ тате чего порода в радиальных направлениях будет испытывать растягивающие напряжения, которые и обеспечивают развитие радиальных трещин.

При дальнейшем удалении волны деформации от заряда растя­ гивающие тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы разрыву. Далее разруше­

184

ний, производимых прямым действием волны сжатия, не наблю­ дается, и происходят только колебательные смещения частиц породы.

После быстрого снижения давления газов в центре взр : ва сильно сжатая порода смещается в сторону центра заряда и услов­ ный радиус выделенной сферы уменьшается до г3. В результате этого в породе появляются кольцевые (откальные) трещины.

При взрыве заряда вблизи обнаженной поверхности волна напря­ жений 3 у ее границы вызывает смещение частиц среды, не имеющих преграды, в сторону свободной поверхности, вовлекая в этот про­ цесс все более отдаленные от поверхности участки породы. По мас­ сиву, таким образом, начинает распространяться отраженная волна растяжения 4, напряжения в которой по знаку противоположны напряжениям прямой волны.

I

Волна растяжения представляет отраженную от обнаженной поверхности волну сжатия и распространяется так, как если бы она была образована от взрыва мнимого заряда 2 (рис. 100), величина которого одинакова с действительно взорвавшимся зарядом 1, а рас­ положен мнимый заряд снаружи на расстоянии от обнаженной поверхности, равном л. н. с. взорванного заряда.

Поскольку порода обладает в 10—30 раз меньшим сопротивлением растягивающим нагрузкам по сравнению со сжимающими, то у обна­ женной поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием трещин и откольной воронки.

При достаточной массе заряда (его энергии) разрушения от поверхности, распространяющиеся в глубь массива, смыкаются с разрушениями, происшедшими вокруг заряда, и происходит раз­ рушение всего объема породы внутри воронки.

Трещиноватые массивы разрушаются под воздействием газов взрыва и волн напряжений, а разрушения распространяются как от зарядной камеры, так и от обнаженных поверхностей навстречу

185

друг другу. Под действием высокого динамического давления газов в месте зарядной камеры образуется полость, вокруг которой распо­ ложена зона разрушений породы.

Сквозные трещины в массиве являются поверхностями раздела, которые препятствуют распространению волн напряжений и раз­ рушений за пределами зоны, ограниченной этими трещинами. Про­ цесс отражения волн напряжений зависит от размеров трещины и характера ее заполнения. Порода за пределами этой зоны разру­ шается в основном под действием механического удара разрушенной вокруг заряда породы. Поэтому в массиве породы создается несколько очагов разрушения под действием прямых и отраженных волн.

Разрушаемый взрывом массив горных пород на карьерах, как правило, разбит системой трещин, интенсивность которых опре­ деляется генетическими и тектоническими особенностями данного

массива, а также предшествующими методами взрывания. Так, при взрывании вертикальных скважин большего диаметра при боль­ ших л. н. с. увеличенной глубиной перебура разрушение массива, подлежащего последующему взрыванию, будет более интенсивным по сравнению с взрыванием наклонных скважин меньшего диа­ метра (рис. 101).

Трещины оказывают экранирующее действие на распростране­ ние энергии взрыва, уменьшают разрушение отдельностей, распо­ ложенных на некотором расстоянии вокруг заряда.

Чем больше размер взрываемого массива, тем более неравно­ мерным оказывается распределение энергии по массиву от взрыва, тем большее количество отдельностей разрушается от их механи­ ческого взаимодействия.

Во взрываемом трещиноватом массиве можно выделить две характерные зоны (рис. 102). В непосредственной близости от заряда все отдельности разрушаются на значительное число кусков от действия волн напряжений и давления газов взрыва. Изменяя параметры заряда, можно направленно изменить крупность дробле­ ния в этой зоне. Размеры зоны 1 увеличиваются с увеличением диаметра заряда дискретно, т. е. на одну, две, три разрушаемые

186

отдельности. Эту зону принято называть зоной р е г у л и р у е ­ м о г о дробления.

За пределами зоны регулируемого дробления разрушение отдель­ ностей, слагающих остальной объем взрываемого массива, происхо­ дит в результате динамического воздействия на него расширя­ ющегося объема породы зоны регулируемого дробления. Разрушение отдельностей в этой зоне 2 носит вероятностный характер: отдель­ ность может разрушиться на небольшое число частей (две-три) в результате динамического удара прилегающих участков породы. При наличии в отдельности дефектов или неоднородностей, ослабля­ ющих ее в отдельных сечениях, вероятность разрушения увеличи­

нято называть зоной п р а к ­

ти ч е с к и н е р е г у л и ­

ру е м о г о дробления. За­ дача методов регулирования состоит в том, чтобы тем или иным способом увеличить объем зоны регулируемого

дробления и уменьшить или Рис. 103. Схема дробления составных об­

зоны практически нерегулируемого дробления можно установить взры­ вом составных образцов (рис. 103). При таком взрыве отдельности, прилегающие к заряду, интенсивно измельчаются, а внешние отбра­ сываются на некоторое расстояние. При этом, если во внешних отдельностях имелись дефекты, то они могут разрушаться.

§ 53. Разрушение пород при серийном взрывании

Взрывы одиночных зарядов на карьерах применяются довольно редко. Поэтому важно знать особенности взаимодействия несколь­ ких зарядов, взрываемых одновременно.

Изучение механизма взаимодействия между зарядами на опти­ чески активных и прозрачных моделях при скоростной киносъемке процесса развития взрыва показывает, что до момента встречи среда вокруг каждого заряда ведет себя так, как будто произошел взрыв

по линии, соединяющей заряды, ив направлении л. н. с., что хорошо видно при опытных взрывах на стеклянных образцах (рис. 104, б).

187

На рис. 104, а показаны опытные взрывы в прозрачном оптически активном материале. Развивающиеся при взрыве напряжения по

а

Рис. 104. Кинограммы взаимодействия соседних зарядов при их одновременном взрывании

цветовым (затемненным на кинограмме) полосам фиксировали с по­ мощью скоростной киносъемки установкой СФР. Затемненные

188

области в стеклянных моделях на рис. 104, б — зоны более интен­ сивного дробления.

При встрече волн напряжений от соседних зарядов напряженное состояние среды меняется. На линии, соединяющей соседние заряды, действуют увеличенные по сравнению с одиночным взрыванием напряжения, что вызывает усиленное действие взрыва с образова­ нием трещины по линии скважин без интенсивного дробления. Это особенно проявляется при небольшом коэффициенте сближения скважин (0,6—0,8).

В определенных объемах породы, расположенных между сква­ жинами в глубине взрываемого массива, имеются зоны, где про­ исходит взаимная компенсация напряжений, появляющихся в мас­ сиве от соседних зарядов, и общее ослабление напряженного состоя­ ния по сравнению с одиночным взрыванием. В этих зонах порода подвергается наименьшему дроблению. Минимальный объем этих

взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды. Иногда этот метод называют миллисекундным.

Короткозамедленное взрывание (к. з. в.) впервые было приме­ нено в 1934—1935 гг. инж. К. А. Берлиным при проходке ствола для получения конусообразного навала породы. В дальнейшем короткозамедленное взрывание стали широко применять с целью снижения сейсмического воздействия взрыва на окружающие выра­ ботки и сооружения, а затем и для улучшения дробления горных пород (с 1945 г. — в США, с 1949 г. — в Англии). На карьерах СССР

этот метод начали внедрять с 1951 г.

Основными факторами, определяющими эффективность к. з. в., являются интервал замедления и последовательность разрушения массива. Эти параматры различны в зависимости от свойств пород, схемы расположения зарядов, задачи взрыва (дробление, переме­ щение породы и т. д.).

При короткозамедленном взрывании происходит взаимодействие взрывов зарядов смежных серий.

Получаемый при короткозамедленном взрывании эффект опре­ деляется следующими факторами: интерференцией волн напряжений, распространяющихся в массиве от взрыва соседних зарядов; обра­ зованием дополнительных обнаженных поверхностей для зарядов,

При малых интервалах происходит интерференция волн напря­ жений, при средних — образование дополнительных обнаженных поверхностей, при больших — соударение кусков. Таким образом, все перечисленные факторы следует рассматривать как составные элементы единого процесса взаимодействия зарядов при к. з. в.

189