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

РАЗДЕЛ IV

ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ И ТЕХНИКА ИХ ПРОВЕДЕНИЯ

Г л а в а XXI

ЗАРЯДЫ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ПРИНЦИПЫ ИХ РАСЧЕТА

§ 82. Общие сведения о зарядах

З а р я д о м н а з ы в а ю т о п р е д е л е н н о е к о л и ч е ­ с т в о ВВ, п о д г о т о в л е н н о е к в з р ы в у . Заряды раз­ личаются по форме — сосредоточенные, удлиненные, плоские, ку­ мулятивные, Т-образные и т. п.; по расположению — внутренние (замкнутые) и наружные (накладные).

По результатам разрушения, производимым в среде, внутренние заряды разделяются на заряды внутреннего действия (камуфлета), заряды дробления (рыхления) и заряды выброса.

С о с р е д о т о ч е н н ы м и называют заряды, форма которых близка к кубической или шарообразной, а также заряды, макси­ мальный линейный размер которых превышает минимальный не более чем в 3 раза, в противном случае такие заряды относятся к удли­ ненным, которые бывают сплошными и рассредоточенными.

Р а с с р е д о т о ч е н н ы м и называют заряды, размещенные в одной зарядной камере, но отделенные друг от друга либо инертным

или скважины в породе или часть выработки, в котором размещается заряд ВВ.

При взрыве сосредоточенного заряда вблизи свободной поверх­ ности в грунте образуется воронка выброса, которую называют еще и конусом выброса, или горном (рис. 151). Кратчайшее расстояние от центра заряда до свободной поверхности W называют л и н и е й н а и м е н ь ш е г о с о п р о т и в л е н и я (л. н. с.). Это весьма важный параметр взрывной отбойки, входящий во многие инженер­ ные расчеты, иногда его называют г л у б и н о й з а л о ж е н и я з а р я д а . Расстояние г от края воронки до оси называют р а д и у ­ с о м в о р о н к и в ы б р о с а . Образующую конуса R называют р а д и у с о м р а з р у ш е н и я . Как видно из приведенной на рис. 151 схемы, явление выброса наблюдается только при условии, когда R > W. Во взрывном деле любые воронки взрыва принято характеризовать отношением r/W, которое называют показателем

325

действия взрыва и обозначают буквой п. Если заряд образует во­

роха около 4 т каждый на глубине 16 м от поверхности. Результаты этих взрывов, как известно, помогли русским овладеть городом Казанью, т. е. заряды были рассчитаны верно.

В 1628 г. Де-Виль пришел к выводу, что величина заряда должна быть пропорциональна л. н. с.

Знаменитый французский военный инженер маршал Себостьен Вобан в 1669 г. вывел формулу для расчета заряда, предполагая, что сопротивление взрыва пропорционально массе отбиваемой породы

где Q — масса заряда; к — коэффициент, учитывающий свойства ВВ и среды; V — объем породы в пределах воронки взрыва.

Формула Вобана не учитывала различий геометрических разме­ ров воронок. Поэтому Белидор в 1729 г. вывел первые зависимости между элементами воронки выброса и установил показатель дей­ ствия взрыва п для усиленного, нормального и уменьшенного вы­ броса.

326

Основой современного расчета зарядов ВВ является использова­ ние законов подобия. Известно, что любой элементарный объем

•среды под воздействием взрывной нагрузки испытывает деформации, зависящие от расстояния до источника взрыва и его энергии. При взрывании в этой среде двух аналогичных по форме, химическому составу, но разных по энергии зарядов ВВ — <?1 и (^2 можно пред­ положить существование таких двух элементов среды, в которых

Ри с . 152 . Взаимосвязь между давлением (напряжением)

всреде и радиусом заряда, а также расстоянием до него

деформации, вызываемые взрывом этих зарядов, будут одинаковыми, если эти элементы среды расположены подобно, т. е. на соответ­ ствующих расстояниях, пропорциональных линейным размерам заря­ дов. Изложенное является одной из формулировок геометрического закона подобия при взрывах. Исходя из этого принципа предпола­ гается, что одинаковое значение напряжений (давлений) р на неко­ тором расстоянии от заряда R пропорционально радиусу заряда г0, если заряд сферический (рис. 152). Следовательно,

Если требуется определить величину напряжений, возникающих на расстоянии R' от заряда ВВ радиусом г0, то согласно геометриче­ скому закону подобия:

aR==j{ l т ) '

где f — функция, определяемая опытным путем.

Геометрический закон подобия имеет ограниченное применение, так как он справедлив лишь для зарядов одного и того же ВВ оди­ наковой плотности.

Так как в общем случае при сферической форме заряда г0 ^ у Q, то, подставляя полученное выражение в формулу (XXI.2), получим обобщенный закон подобия:

JLl - vJE.

R* ~ V qI '

Величина механической работы, совершаемой при взрыве (дробле­ ние, выброс породы), как известно, находится в прямой зависимости от количества энергии, выделившейся при взрыве. Однако различие в энергии взрывчатого превращения обобщенным законом подобия не учитывается.

327

Академики Л. И. Седов и М. А. Садовский разработали более общий вариант закона подобия, получившего название энергетиче­ ского закона подобия при взрыве, в котором масса заряда С заме­ няется полной энергией Е, откуда

O r =

Энергетический закон подобия позволяет сравнивать и оценивать практически любые взрывы независимо от их природы, например взрывы зарядов ВВ и атомные, электрический разряд и землетрясение. Для этого необходимо только знать выделившуюся при каждом взрыве энергию.

§ 84. Расчет зарядов ВВ для горных работ

Так как в настоящее время нет надежной теории, позволяющей отдельно оценить количество энергии взрыва, идущей на дробление среды и на преодоление гравитационных сил и на выброс породы из воронки взрыва, в основу расчета зарядов принимают эмпирическую формулу (XXI.1), выведенную еще в XVII в. Вобаном.

Вывод формул для расчета зарядов легче всего начать для заря­ дов нормального выброса, где г = W. Объем воронки в этом случае

вается и, наоборот, при уменьшении заряда значение га уменьшается. Отсюда следует, что величина заряда Q при прочих равных условиях является функцией га. Если обозначить эту функцию как / (га), то формула для расчета зарядов примет вид

Функцию f (га) можно рассматривать как коэффициент, показы­ вающий, во сколько раз масса заряда с данным показателем дей­ ствия взрыва га больше или меньше массы заряда нормального вы­ броса.

Исследования с целью определения функции показателя действия взрыва } (га) вели начиная с середины XVII в. Однако только в 1868 г. военный инженер генерал М. М. Фролов предложил на основании

328

многочисленных опытных взрывов 1*наиболее простой и достаточно надежный метод определения функции / (п). Он установил, что для зарядов усиленного выброса п 1 значение функции показателя действия взрыва / (п) находится в пределах

! < / ( « ) О 3,

а для зарядов уменьшенного выброса (п < 1)

1 > / ( л ) > я 3.

М. М. Фролов предложил следующую формулу для определения функции показателя действия взрыва заряда:

/ (п) = А + Вп3,

где А и В — коэффициенты — числа положительные, сумма которых равна единице.

Опытным путем М. М. Фролов определил, что А — В = 0,5. В окончательном виде формула М. М. Фролова имела вид:

Q — (0,5 + 0,5/г3) qW3.

Использовав метод М. М. Фролова, военный инженер генераллейтенант М. М. Боресков в 1871 г. предложил более точную фор­ мулу для определения заряда выброса

Формулу М. М.Борескова широко применяли в горном деле для расчета зарядов. В настоящее время эту формулу применяют только для расчета зарядов усиленного выброса, так как для расчета заря­ дов уменьшенного выброса получают увеличенные значения.

При взрывании крупных зарядов на выброс массой в несколько сотен и тысяч тонн и при л. н. с. свыше 25 м формула М. М. Борескова, как показал опыт, дает заниженные результаты. По предложению проф. Г. И. Покровского в формулу М. М. Борескова для больших зарядов выброса с глубиной заложения более 25 м была внесена поправка, в результате чего эта формула приняла вид:

Расчет заряда по формуле (XXI.6) показал хорошие результаты па практике. В тех случаях, когда не учитывают степень дробления среды для расчета сосредоточенных зарядов рыхления, можно исполь­ зовать эмпирическую формулу

(?= 0,33gTP3^ |- I P 3.

1 В основном на опыте подземной — мпнной войны по время осады Сева­ стополя в 1856 г.

329

Т а б л и ц а 73

Расчет удлиненных зарядов ведут аналогично рассмотренному выше методу, исходя пз величины взрываемого объема породы. Формула для расчета такого заряда имеет вид:

Q = qWaHy,

где а — расстояние между зарядами; Ну — высота уступа.

Для расчета зарядов рыхления II. В. Мельниковым предложена формула

к — коэффициент, равный W (]/'1 + п-— l).

Расчет скважинных зарядов по формуле (XXI.7) позволил упо­ рядочить параметры взрывной отбойки на открытых разработках, особенно при переходе к взрыванию высоких уступов. Абсолютные значения функции / (н) приведены в табл. 73.

§ 85. Удельный расход ВВ

У д е л ь н ы й р а с х о д — к о л и ч е с т в о ВВ, р а с х о ­ д у е м о е н а о т б о й к у 1 м3 г о р н о й м а с с ы , р а з ­ р у ш а е м о й в з р ы в о м .

Удельный расход ВВ является одним из основных параметров для обеспечения заданного качества взрыва при минимальных тру­ довых затратах и расходе материалов.

Удельный расход ниже оптимального ведет к уменьшению коэф­ фициента использования шпура (подвигания выработки за взрыв), неудовлетворительному оконтуриванию проектного сечения горной выработки. Увеличение удельного расхода выше его оптимального значения обусловливает повышение трудоемкости и стоимости буро­ взрывных работ (излишний объем бурения, забутовки и др.), нару­ шение устойчивости пород, окружающих выработку, повреждение крепи и горного оборудования.

330

В последнее время многие исследователи, в том числе и автор данной книги под удельным расходом ВВ подразумевает удельный расход энергии ВВ в килокалориях на 1 м3 взорванного мате­ риала. Учитывая, однако, что большинство горных предприятий и проектных институтов при расчете зарядов пользуются в основном удельным расходом ВВ в килограммах на 1 м3, мы сочли целесо­ образным не изменять принятой терминологии.

Первые попытки некоторых обобщений и рекомендаций относи­ лись к определению расхода ВВ еще в XVIII—XIX вв. Опираясь на опыт применения ВВ в военных целях, полагали, что разруши­ тельное действие взрыва находится в прямой зависимости между объемом взрывной среды и массой ВВ.

В России теоретическое обоснование выбора удельного расхода ВВ было дано проф. М. М. Протодьяконовым. На основании обобщения практики производства взрывных работ при проходке выработок в дореволюционном Донбассе; им предложены формулы для опреде­ ления удельного расхода ВВ:

приближенная

уточнепиая

д = 0,5 [ / 0 ,2 / - -i-].

Современные представления о процессах, происходящих при взрыве позволили установить взаимосвязь между отдельными па­ раметрами и степень их влияния друг на друга.

Удельный расход ВВ является функцией следующих параметров:

q — 4>{S, /, l, dnMIa),

где S — площадь сечения выработки, м2; I — глубина шпуров, м; dn — диаметр патронов ВВ, мм; / — коэффициент крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова; а — коэффициент использо­ вания шпура; А — плотность заряжания, г/см3; Н — глубина раз­ работки полезного ископаемого, м.

Установлено, что удельный расход с увеличением площади сече­ ния горной выработки при прочих равных условиях снижается и при площади сечений более 18—25 м2 становится примерно постоян­ ным. На основании многочисленных наблюдений была установлена эмпирическая зависимость удельного расхода ВВ от площади сечения выработки

Характер кривой, приведенной на рис. 153, показывает, что при S >> 18—20 м2 q зависит только от крепости пород, сечение же выработки не влияет на его величину. Зависимость удельного расхода от крепости пород показана на рис. 154, из которого видно, что удель­

331

ный расход ВВ с увеличением крепости пород возрастает. Однако при площади сечений горных выработок до 5 м2 на величину q коэффи­

332

Если зависимость удельного расхода ВВ от глубины разработки полезного ископаемого выразить в функции глубины разработки,

то получим q = 0,0000&ff-j- 0,0000003#2.

В результате проведенных исследований получено следующее уравнение множественной регрессии, с помощью которого можно описать с достаточной точностью и полнотой зависимость удельного расхода ВВ от выбранных q,кг/м3

параметров:

<7= ^(2,92 + 0 ,1 3 5 /+ ^ -

от типа ВВ в формуле (XXI.8)

приводится поправочный коэффициент I показателей полной работы взрыва данного ВВ, равный отношению к эталонному.

Поправочные коэффициенты для различных ВВ имеют следу­ ющие значения:

Уравнение множественной регрессии (XXI.8) помимо определе­ ния удельного расхода ВВ в зависимости от эксплуатационных условий позволяет также выявить факторы, позволяющие умень­ шить удельный расход ВВ.

С увеличением удельного расхода ВВ до определенного значения увеличивается степень дробления отбиваемой породы и как след­ ствие — производительность погрузочных машин. Однако при даль­ нейшем увеличении удельного расхода ВВ сверх оптимального на­ блюдается обратная закономерность — кусковатость породы заметно увеличивается. Это явление объясняется тем, что при взрыве увели­ ченных зарядов в зоне действия следующей серии зарядов вслед­ ствие уменьшения расстояния между шпурами и увеличения разме­ ров общей денапряженной зоны в породе легче образуются трещины. Производительность погрузки при прочих равных условиях повы­ шается с увеличением расхода ВВ и достигает максимума при опре­ деленном, но не максимальном удельном расходе.

При раздельной выемке удельный расход ВВ должен определяться отдельно для пласта полезного ископаемого и вмещающих пород.

333

Установлено, что в маломощных пластах и тонких жилах при их раздельной выемке вследствие большого влияния зажима величина удельного расхода возрастает.

В породной части забоя заряды в шпурах взрываются при нали­ чии двух свободных плоскостей, в связи с чем удельный расход ВВ на 1 м3 обуренной породы породного забоя должен составлять 45— 50% величины заряда угольного забоя при / < 5 и 55—60% при

/> 5 .

Взависимости от мощности применяемых ВВ удельный расход ВВ изменяется в пределах, близких к значениям переводных коэффи­ циентов.

Г л а в а XXII

СПОСОБЫ ВЗРЫВАНИЯ ЗАРЯДОВ

Чтобы вызвать взрыв заряда ВВ, необходимо сообщить ему опре­ деленное количество энергии, так называемый начальный импульс достаточной мощности. Практически это осуществляется путем дето­ нации небольшого по величине заряда, а процесс возбуждения взрыва называется инициированием.

Такими зарядами-инициаторами в практике промышленных взрывных работ являются капсюли-детонаторы, электродетонаторы и детонирующий шнур ДШ. Для возбуждения взрыва ДШ также необходимо внешнее воздействие в форме взрыва капсюля-детона­ тора или ЭД. Поэтому при взрывании зарядов промышленных ВВ во всех случаях участвует капсюль-детонатор, снаряженный ини­ циирующим ВВ. Для взрывания некоторых малочувствительных промышленных ВВ (ВВ простейшего состава, плавленый тротил) импульса капсюля-детонатора оказывается недостаточным, поэтому для их инициирования применяют промежуточные детонаторы — небольшие заряды ВВ, нормально детонирующие от обычного капсюля-детонатора или электродетонатора.

Для взрыва капсюля-детонатора применяется тепловая энергия

ввиде искр огнепроводного шнура или электровоспламенителя.

Впрактике промышленных взрывных работ принято условное различие способов взрывания в зависимости от того, что является первопричиной детонации заряда ВВ, а также в зависимости от спо­ соба возбуждения капсюля-детонатора. В соответствии с этим раз­ личают следующие способы взрывания: огневой; электроогневой; электрический; бескапсюльный (детонирующим шнуром).

§ 86. Огневое взрывание зарядов

Огневой способ взрывания состоит в том, что возбуждение кап­ сюля-детонатора производится снопом искр от отрезков огнепровоз­ ного шнура, длина которых выбирается в зависимости от времени,

334