книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие

должается до некоторого критического значения и вследствие этого волна продолжает подпитываться энергией движущихся газов. Таким образом, волна аккумулирует энергию, не только передавае­ мую через стенки скважин, но и энергию газов, распространяющихся по трещинам. Из изложенного становится очевидным, что противо­ поставлять рассмотренные источники нагружения, волну напряже­ ний и газы нельзя, так как они вместе принимают участие в разру­ шении горных пород.

§ 75. Формы работы взрыва и методы их определения

Работа взрыва совершается за счет тепловой энергии, выделя­ ющейся при взрыве заряда ВВ. Исходя из законов термодинамики, М. П. Чельцов в 1880 г. впервые оценил величину работы взрыва и предложил формулу

где А п — полная идеальная работа газов взрыва при расширении их до атмосферного давления; Q — теплота взрыва; F0 и Fj — на­ чальный и конечный объемы газов; р0 — начальное давление газов взрыва; к — показатель адиабаты.

Полная энергия, выделяемая при взрыве, равна произведению теплоты взрыва Q на массу заряда с. Таким образом, теплота взрыва является одной из важнейших характеристик взрывчатой системы. Однако полная теплота взрыва не может быть полностью преобра­ зована в механическую работу даже при идеальном ходе химической реакцип взрывчатого превращения ВВ. Разность между полной теплотой взрыва и полной работой называют т е п л о в ы м и п о ­ т е р я м и .

При взрыве заряда в горной породе происходят дробление и пла­ стическая деформация среды, примыкающей к заряду, возникнове­ ние и развитие трещин, смещение частиц породы в результате рас­ пространения в ней волновых возмущений, упругие колебания среды и, наконец, выброс породы из воронки взрыва и образование воздуш­ ных ударных и звуковых волн. Не все из перечисленных видов работы взрыва являются полезными. Такие виды работ, как переизмельчение и пластические деформации среды, вблизи заряда являются ненужными с точки зрения технологии взрывной отбойки.

В зависимости от условий взрыва доля энергии, идущая на производство той или иной формы работы, может меняться. Полная теплота взрыва при условии завершения реакции взрывчатого пре­ вращения остается неизменной. Величина полезной работы взрыва составляет около 60—70% потенциальной энергии ВВ. В то же время коэффициент полезного действия взрыва (отношение полез­ ных форм работы взрыва к теплоте взрыва) относительно невелик и составляет всего несколько процентов. Наиболее наглядно баланс

295

энергии (работы) взрыва можно представить в виде поточной диа­ граммы, предложенной М. А. Садовским и А. Ф. Беляевым (рис. 137), которые объяснили физическую сущность различных форм работы взрыва. Согласно этим представлениям, формы механической работы

Бризантным действием называют те формы работы взрыва, кото­ рые осуществляются в непосредственной близости от поверхности заряда. Они составляют сравнительно малую часть общей работы взрыва и в значительной степени

газов взрыва или импульсом. Если давление детонации невелико, то дробящее действие будет весьма незначительным, даже при взрывании заряда ВВ, имеющего боль­ шую энергию.

М. А. Садовский и А. Ф. Беляев считали, что бризантное дей­ ствие определяется не полным импульсом взрыва, а его головной частью, которую в пределе можно считать пропорциональной мак­ симальному детонационному давлению

р£>2

Большую часть полной работы взрыва представляют общие, или фугасные, формы, которые проявляются в образовании котло­ вых полостей, дроблении породы в пределах зоны разрушения, т. е. на значительном расстоянии от заряда.

Критерием оценки фугасного действия ВВ является величина энер­ гии ВВ, отнесенная к единице массы заряда ВВ, т. е. теплота взрыва.

296

Разрушающее действие открытого заряда, имеющего контакт с горной породой, будет относительно малым по сравнению с объемом разрушения при взрывании того же заряда внутри этой породы. В первом случае характер разрушения среды зависит от активной массы заряда и его скорости детонации, во втором — от полной энер­ гии, т. е. от всей массы ВВ, умноженной на его удельную тепло­ творную способность (теплоту взрыва). Таким образом, для оценки бризантных форм работ необходимо замерять разрушение (деформа­ цию) среды при контактных взрывах наружных зарядов, а для фу­

ний) для определения бризантности и фугасности ВВ.

Так как фугасные формы работы взрыва являются превалирующими в общем балан­ се энергии ВВ, то пробы для их определе­ ния называют пробами на работоспособ­ ность ВВ. Существует множество различ­

осколочные, в которых о величине бризантности судят по степени дробления металлической оболочки, окружающей заряд ВВ;

маятниковые — основанные на измерении головной части импульса взрыва при отклонении специального маятника взрывом наружного заряда ВВ на его торце.

Проба Гесса принята в СССР для определения бризантности ВВ в качестве стандарта. Условия проведения пробы Гесса на бризант­ ность ВВ нормированы действующим ГОСТ 5984—51.

Методика осуществления стандартной пробы заключается в сле­ дующем. Крешер (цилиндрик) из чистого рафинированного свинца, температура плавления которого должна быть 400 ± 10° С, имеющий

297

диаметр 40 ± 0,2 мм и высоту 60 ± 0,5 мм, устанавливают на сталь­ ную плиту (рис. 138). Толщина плиты должна быть не менее 20 мм, диаметр 200 мм. На крешере помещают круглую стальную пластинку диаметром 41 ± 0,2 мм и высотой 10 ± 0,2 мм. Твердость стали пластинки должна составлять 150—200 единиц по Брпнеллю. На пла­ стинку устанавливают патрон с испытуемым ВВ. Гильзу патрона

К бумажной гильзе приклеивают дно из такой же бумаги. В приго­

и после взрыва, выраженную в миллиметрах, принимают за по­ казатель брпзантности испытуемого ВВ.

Пригодной для осуществления испытаний на пробе Гесса счптается такая партия свинцовых крешеров, образцы которой при взрывании на них заряда эталонного тротила массой 50 г и плот­ ностью 1 г/см3 дают обжатие 16,5 ± 0,5 мм.

Несмотря на простоту и хорошую воспроизводимость пробы Гесса она может служить только для относительного сравиеиия мест­ ного действия различных ВВ. Анализируя разрушающее действие взрыва, часто исходят из неправильной предпосылки, пытаясь срав­ нить степень дробления отбитой взрывом породы с параметрами дето­ национной волны (давлением и импульсом), которые определяют лишь бризантное действие взрыва, но никак не могут отождествляться с дробящим действием взрыва.

Для оценки дробящей способности ВВ, характеризующей спо­ собность заряда в определенных условиях взрывания производить

298

в которой заряд ВВ массой 20 г взрывали в канале блока (кубика) из базальтового литья или песчано-цементного раствора. Взрывание осуществлялось в бомбе Долгова. Раздробленный материал просеи­ вали через набор сит и определяли гранулометрический состав.

По данным Л. И. Барона и С. П. Левчика, выход мельчайших (пылевидных) фракций при испытании ВВ в этой пробе хорошо кор­ релирует с брпзантиостыо по пробе Гесса (рис. 139). Общая же кусковатость отбитого материала — средний диаметр куска dcp,

выход дробленого продукта 2 -7 мм» суммарная, вновь образованная

ческой мортиры; метод воронкообразования; метод оценки работо­ способности по воздушной ударной волне.

времени осталась неизменной. Согласно действующему ГОСТ 4546—48 испытания проводят в свинцовой бомбе цилиндрической формы,

заряд ВВ массой 10 г. Взрывание осуществляют электродетонатором или капсюлем-детонатором № 8, в качестве забойки применяют

299

кварцевый песок. После взрыва путем заливки воды из мерного цилиндра в образовавшееся раздутие (как правило грушевидной формы) измеряют его объем. Разность между замеренным объемом и суммой объемов канала до взрыва и расширения за счет инициатора (обычно 28 см3) представляет значенпе показателя работоспособности (фугасности) по Трауцлю, выражаемое в кубических сантиметрах.

Испытание на работоспособность гранулированных ВВ, спо­ собных полностью детонировать только в зарядах большого диа­ метра, производят после их измельчения до такой степени, чтобы они полностью проходплп через сито с размером отверстий 0,05 мм.

Рис. 141. Схема испытания ВВ на работоспособность (проба Трауцля)

а — сшшцонгш иамба: б — положение заряда до взрыва; в — после взрыва

Водонаполненные ВВ испытывают с дополнительным детонато­ ром — тетриловой шашкой массой 5 г с последующей корректиров­ кой полученных результатов па величину расширения, которое дает электродетоиатор с этой шашкой.

Недостатком данного метода является то, что ои не позволяет дать количественную оценку работоспособности различных ВВ по показателям расширения канала бомбы. Так, например, если одно ВВ дает расшпренпе 200 см3, а другое — 400 см3, то это вовсе не означает, что второе ВВ будет в 2 раза эффективнее первого, так как заряды работают прп разной степени расширения не в одина­ ковых условиях. Действительно, расширить объем бомбы на первые 200 см3 значительно труднее, чем на последующие 200 см3.

Другим недостатком данного метода является то, что результаты испытания в значительной степени зависят от условий проведения опытов (температура воздуха и т. п.) и от качества отливки бомб. Кроме того, для некоторых трудно детонирующих ВВ (водонапол­ ненные, алюминизированные, селективнодетонирующие) проба Трауцля дает заниженные показатели работоспособности по сравне­ нию с применением этих ВВ в производственных условиях.

Методы баллистического маятника и баллистической мортиры состоят в том, что работоспособность ВВ определяют или по откло­ нению массивного маятника при взрыве на его торец открытого заряда (рис. 142), пли измеряя кинетическую энергию Е 0 тяжелой

300

мортиры, подвешенной в виде маятника, в момент вылета из нее снаряда при взрыве 10 г заряда испытуемого ВВ. Масса мортиры н снаряда известна. Измеряют величину отклонения мортиры (угол ср), затем определяют работоспособность ВВ по формуле

Аы= Ей(1—coscp).

Для мортиры заданной конструкции величина Е0 является по­ стоянным параметром. Однако действительный характер работы взрыва в мортире отли­

называемом песчаном «бассейне» (рис. 143). Техника проведения испытаний состоит в помещении на определенную глубину W во влажном песке зарядов испытуемых ВВ одинаковой величины. После взрыва проводят измерение профиля воронки во взаимно перпен­ дикулярных направлениях. Показателем работоспособности является отношение объемов воронок испытуемого и эталонного ВВ (обычно штатного аммонита № 6ЖВ). Достоинства данного метода заключа­ ются в простоте проведения испытания и в возможности испы­ тывать заряды значительной массы. Недостатком является слож­ ность точного замера объемов воронок.

Метод оценки работоспособности по воздушной ударной волне основан на измерении избыточного давления Ар на фронте воздуш­ ной ударной волны при взрывании испытуемого ВВ и сравнении полученного результата тротиловым эталоном. Замерив избыточное давление Др г на фронте воздушной ударной волны при взрыве испы­ туемого ВВ (см. главу XVIII § 72), определяют опытным путем заряд тротила пгТнТ, который дает то же избыточное давление, что и испытуемый заряд массой тх. Работоспособность тротила Атнт

201

заранее известна, а работоспособность испытуемого заряда опреде­ ляют по формуле

л-и^тнт "'тнт

Преимущество этого метода заключаетя в возможности определять работоспособность весьма крупных зарядов. Недостатком является

Рис. 143. Схема опыта прп определении работоспособности ВВ

методом воронкообразования в песчаном бассейне:

а — разрез бассейна с зарядом до взрыва; б — профиль воронки после взрыва; W — л. н. с.

необходимость точной оценки избыточного давления Др, ибо малей­ шая ошибка- в его определении приводит к неправильным результа­ там определения работоспособности испытуемого заряда.

§ 76. Кумулятивное действие взрыва

Выше были рассмотрены обычные формы работы, возникающие при взрыве любого заряда. Существуют, однако, и специфические формы местного действия взрыва, проявление которых зависит от геометрической формы заряда. Образовав на торце заряда, противо­ положном инициатору (рис. 144, б), выемку конической или сфери­ ческой формы, можно значительно усилить местное действие взрыва

в пределах торцевой выемки очень мощного газового потока из схо­ дящихся в фокусе (на осп заряда) соударяющихся газовых струй.

Направление разлета частиц поверхностного слоя ВВ опреде­ ляется скоростью детонационной волны и местной скоростью звука, которая в 3 раза превосходит массовую скорость и направлена перпендикулярно поверхности заряда. Поэтому газы взрыва дви­ жутся в основном перпендикулярно поверхности заряда (рис. 144, а, б), отклоняясь несколько в сторону, противоположную месту ини­ циирования. При взрыве заряда с кумулятивной выемкой продукты

о с и з а р я д а , н а з ы в а ю т к у м у л я т и в н о й с т р у е й .

302

303

ф о к у с н ы м р а с с т о я н и е м к у м у л я т и в н о й с т р у и F. За фокусом давление и скорость струи падают, а струя постепенно рассеивается (см. рис. 144, б). Так как в форми­ ровании кумулятивной струи принимают участие слои ВВ, непо­ средственно окружающие кумулятивную выемку, кумулятивные заряды имеют специфическую форму конуса, усеченного конуса или полусферы. Пробивное действие кумулятивной струи зависит от скорости детонации и плотности ВВ, а также от формы и размеров кумулятивной выемки, материала и толщины облицовки.

1 — пест; 2 — кумулятивная струя; 3 — кратер; 4 — преграда; 5 — фронт плоской детонационной полны; 6 — BB

При помощи кумулятивных зарядов пробивают отверстия в сталь­ ных и железобетонных плитах, дробят негабаритные куски самых прочных скальных пород. С помощью кумулятивных зарядов, взрываемых на поверхности забоя, можно бурить скважины в самых крепких скальных породах. Этот эффект широко используют при производстве капсюлей-детонаторов и электродетонаторов для уси­ ления начального инициирующего импульса.

Впервые гидродинамическую теорию кумулятивной струи раз­ работал в 1945 г. акад. М. А. Лаврентьев. При этом была исполь­ зована классическая теория сходящихся струй, допускающая, что движение материала облицовки уподобляется движению струи иде­ альной несжимаемости жидкости. Вывод применим к заряду с кони­ ческой выемкой.

Процесс захлопывания металлической конусной облицовки по­ казан на рис. 146. При этом рассматривается простейший случай — набегание на конусную облицовку плоской детонационной волны.

В результате деформации поверхность металла приобретает форму клина, но угол 2 р между движущимися стенками клина ока­

304