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

Р ис. 208. Схема к определению продолжительности прохожде нпя ударной, детонационной и отраженной волн при иницииро вании:

о — прямом; 6 — обратном

Р ис. 209. Схема детонации заряда п распространения удар­ ных волн для D = D уд при инициировании:

а — прямом; б — обратном

На рис. 209 показана схема детонации и распространения удар­ ных волн при D = Dyд. При прямом инициировании (см. рис. 209, а) процесс детонации еще продолжается, а ударная волна дошла до поверхности и отразилась до момента окончания детонационного процесса в отрезке заряда от места начала детонации А до точки В. Таким образом, еще не сдетоннровал полностью заряд, а верхняя часть массива от поверхности уже подверглась воздействию волн сжатия и растяжения. В результате этого в верхней части массива начинается разрушение, что ведет к утечке продуктов детонации через образовавшиеся трещины. Время воздействия продуктов дето­ нации п ударных волн на разрушаемый массив снижается не только в верхней части шпура, но п в нпжней части шпура между точ­ ками А и В.

Следовательно, при прямом инициировании шпуровых зарядов часть энергии продуктов детонации используется неэффективно, в результате некоторая часть длины шпура остается неразрушенной (остаются стаканы), что приводит к уменьшению к. и. ш., ухудше­ нию степени дробления породы, увеличению расстояния отброса породы по выработке и т. д.

При обратном пннциированпи процесс детонации распростра­ няется от точки В (начала ннпциированпя) к точке А . В этом случае действие продуктов детонацпн со стороны дна шпура более продол­ жительное при этом образуются вначале небольшие трещины, а за­ тем происходит постепенное пх развитие в сторону свободной по­ верхности, т. е. наступает разрушение массива.

Следовательно, при обратном инициировании шпуровых зарядов энергия взрыва используется наиболее полно, эффективно, что в значительной степени улучшает к. п. ш., дробимость породы и оконтурпванпе выработки.

При прямом инициировании время действия продуктов детона­ ции на массив будет менее продолжительным, а давление их значи­ тельно слабее. При обратном инициировании более продолжитель­

Немаловажное значение имеет характер распределения общей энергии детонации и направления ее потока от места расположения детонатора.

Рассмотрим влияние направления инициирования на качество взрыва в случаях, когда скорость детонации больше скорости звука в данной породе, т. е. D > с (р и с. 210), и когда D < с (рис. 211), т. е. в породах с малой акустической жесткостью и ВВ с различной скоростью детонации.

При условии Z) )> с в породах с малой акустической жесткостью разница во влиянии направления инициирования шпуровых зарядов на эффективность взрыва мала. Однако при обратном инициирова­ нии все же достигаются более высокие показатели взрыва, так как

396

Р ис. 210. Схема детонации заряда и распространения ударных волн для D ]> с при инициировании:

а — прямом; б — обратном

Рис. 211. Схема детонации и распространения ударных волн для D < с при инициировании:

а — прямом; б — обратном

для указанных пород основная роль в разрушении принадлежит продуктам взрыва, время воздействия которых на массив при обрат­ ном инициировании больше, чем при прямом.

Если с > D , то будет происходить опережение ударных волн в породе. Таким образом, передача энергии от продуктов детонации на стенки шпура происходит через напряженную зону породы от прошедшей через нее ударной волны. Такое явление будет иметь место по всей длине заряда до конца действия детонации.

а 6 в

Рис. 212. Схема распространения волн напряжений при инициировании:

а — прямом; б — обратном; в — встречном

Рассмотрим некоторые теоретические вопросы распределения напряжений в породном массиве при распространении воли напря­ жений в зависимости от места инициирования при взрывании группы зарядов.

При п р я м о м и н и ц и и р о в а н и и зарядов ВВ распро­ странение волн напряжений происходит следующим образом. С мо­ мента начала детонации заряда распространяющийся фронт волны напряжений (рис. 212, а) имеет вид усеченного конуса, обращенного вершиной в глубь массива. Угол между образующей конуса и осью заряда постоянен п определяется отношением Die, т. е.

Z а = arc sin .

При одновременном взрывании зарядов интерференция волн происходит посередине условной линии А А г, проходящей на уровне верхних частей зарядов ВВ. Смещение в месте встречи (точка О) отсутствует. Далее волны напряжений встречаются под углом и в ос­ новном ниже линии А А г. Векторное сложение потоков показывает, что результирующая их направлена в глубь массива. К обнаженной

398

поверхности направлена результирующая волны напряжений только от верхних частей зарядов ВВ. Большая часть энергии взрыва при этом бесполезно рассеивается в массиве.

Известно, что скорости смещения среды и деформации взаимо­ связаны. В данном случае в глубь массива волна напряжений дви­ жется со скоростью детонации D, а к свободной поверхности — со скоростью, определяемой выражением

С•2

и

где d — расстояние между зарядами; t — время распространения волны напряжений.

При взрывании детонирующим шнуром на карьерах часто приме­ няют схему с прямым инициированием, при этом основной выход негабарита получается с верхней части уступа. При данном способе инициирования верхняя часть находится в наиболее неблагоприят­ ных условиях, поскольку количество энергии, направленное на нее,

большая часть энергии волн напряжений направляется на свободную поверхность, вызывая более интенсивное разрушение именно этой верхней части.

Результат действия взрыва при взрывании скважинных зарядов на уступах определяется в основном кусковатостыо и шириной раз­ вала отбитой горной массы. Ширина развала оказывает большое влияние на время экскавации. Чем меньше ширина развала, тем производительнее работают погрузочные машины. Установлено, что при прямом ншщппровании ширина развала взорванной массы меньше, чем при обратном инициировании. Следовательно, обрат­ ное инициирование, повышая степень дробления горной массы, дает увеличение развала.

С целью объединения преимуществ прямого и обратного иницииро­

случае одни заряд инициируется сверху, другой — с забоя сква­ жины. Встреча волн напряжений происходит по диагонали между скважинами, а по концам скважин взаимодействует упругая волна с ударной. В зоне массива, расположенной между зарядами, взаимо­ действуют две волны.

В данном случае происходит отражение волны напряжений не только у свободных поверхностей, но и в глубине массива, что без­ условно способствует более равномерному дроблению среды. Верх­ няя часть уступа находится в более благоприятных условиях по сравнению с прямым инициированием, поскольку сначала она де­ формируется под действием заряда с прямым инициированием, а затем заряда, шшциируемого со дна скважины.

399

Учитывая важность величины потока массовой скорости и в про­ цессе разрушения, были установлены зависимости, выражающие значение результирующей потока скорости при прямом, обратном и встречном инициировании зарядов ВВ. В связи с тем что вывод этих уравнений весьма сложен, здесь приводятся лишь конечные выражения для инициирования:

прямого

где а,- — амплитуда взаимодействующих волн; р — плотность среды; V — объем разрушаемой среды; г — расстояние от точки иницииро­ вания до фронта волны; а. — угол полураствора конуса, образован­ ного волнами напряжений.

Полученные значения максимальной величины скорости смещения в зависимости от амплитуды напряжений, расстояния, характери­ стик среды и ВВ и угла встречи волн напряжений дают возможность определить объем разрушений. Так как величина скорости смещения максимальна при обратном инициировании, минимальна при прямом и средняя при встречном способах инициирования, соответственно должен меняться объем взорванной массы. Учитывая определяющую роль волн напряжений при разрушении крепких горных пород с боль­ шой акустической жесткостью, можно предположить, что обратное инициирование позволит получить в породах этого класса наилучшее дробление.

Используя соотношения (XXIII.3)—(XXIII.5), можно опреде­ лить время воздействия на среду интерферирующих конических волн напряжений при различных схемах инициирования

T = S V X ~ l r p8Ma’

где К = 8/3 — для обратного инициирования; К — 2/3 — для пря­ мого инициирования; К = 2 — для встречного инициирования; М — масса.

400

Вначале пз геометрических построений определяем

Результаты теоретических и лабораторных исследований были проверены в полигонных и промышленных условиях.

В полигонных условиях были проведены экспериментальные взрывы с фиксацией параметров волн напряжений при прямом, об­

от осциллографа через несколько миллисекунд после начала съемки. Запись изменения амплитуды импульса и продолжительности его действия при различном инициировании проводилась датчиками ВИБ-А на осциллографе Н-105. По полученным осциллограммам подсчитаны скорости смещения в месте замеров, после чего были найдены радиальные напряжения.

Графики скоростей смещения свободной поверхности для каждого направления инициирования показаны на рис. 213, из которых видно,

при прямом инициировании; при обратном инициировании импульс

имеет максимальное напряжение (о = 212 кгс/сма) и длительность (t — 21,5 мс): при встречном инициировании максимальная длитель­ ность импульса t = 24,4 мс, а напряжение о — 192 кгс/см2. Сле­ дует отметить характерную форму импульса напряжений при встреч­ ном нипцнпрованин зарядов. Это — наличие двух максимумов са­ мого импульса. Наличие последних объясняется тем, что вначале датчик воспринимает волну от заряда с прямым инициированием, а затем — от заряда с обратным инициированием.

Для исследования влияния способа инициирования на степень дробления пород были проведены опытные массовые взрывы в поро­ дах средней крепости (известняки и доломиты) и крепких породах (кварциты). Параметры массовых взрывов п данные по кусковатости отбитой породы приведены в табл. 84 и 85.

Инициирование прямое, обратное или встречное осуществлялось электродетонаторами ТЭД-200. Гранулометрический состав отби­ той горной массы определяли методом фотопланиметрии, а ширину развала замеряли после взрыва рулеткой по трем сечениям и брали среднее значение.

При разрушении пород средней крепости обратное инициирова­ ние дает наиболее равномерное дробление, но процент выхода нега­ барита довольно вьтсокпй. Наплучшпе результаты получены при встречном инпцппрованпп, поэтому в породах с f — 4-^8 наиболее рационально применять эту схему пнпцппрованпя зарядов. При дроблеипп горных пород определяющим фактором является не

402

Т а б л и ц а 85

их действия. Причем с уменьшением крепости породы и с увеличением ее вязкости время воздействия волны напряжений на разрушаемую среду играет более важную роль.

В крепких породах наилучшее дробление дает обратное иниции­ рование, но при этом наблюдается увеличенный развал отбитой гор­ ной массы. Встречное инициирование дает несколько худшее дробле­ ние, но позволяет получить компактный развал.

§ 100. Внутренняя забойка шпуров и скважин

И н е р т н ы й м а т е р и а л , р а з м е щ а е м ы й в ш п у р е ( с к в а ж и н е ) в с л е д з а з а р я д о м ВВ с ц е л ь ю г е р ­ м е т и з а ц и и з а р я д н о й к а м е р ы на п е р и о д в з р ы в ­ н о г о р а з р у ш е н и я с р е д ы , н а з ы в а ю т в н у т р е н ­ н е й з а б о й к о й .

Внутренняя забойка оказывает существенное влияние на эффек­ тивность и безопасность взрывного разрушения, увеличивая время воздействия продуктов взрывчатого превращения на разрушаемый массив, способствуя наиболее полному использованию энергии вврыва. Герметизация зарядной камеры улучшает условия протека­ ния детонационного процесса, что способствует созданию условий для более полного взрывчатого превращения ВВ.

Забойка препятствует прорыву высокотемпературных газообраз­ ных продуктов детонации и твердых раскаленных частиц в приза­ бойное пространство, что особенно важно при производстве взрывных работ в шахтах, опасных по газу или пыли, улучшает санитарные

условия производства работ, снижает количество вредных газов, образованных при взрыве, и уменьшает пылеобразование.

При взрывании шпуровых и скважинных зарядов в различных горно-геологических и горнотехнических условиях применение за­

взрывчатого разложения ВВ в начальный момент их образования обладают высокой температурой. Кроме того, после детонации заряда образуются твёрдые раскаленные частицы непрореагировавшего ВВ, осколки электродетонаторов. Забойка препятствует попаданию их в призабойное пространство, исключая возможность воспламенения взрывоопасной концентрации метано- и пылевоздушной среды. Поэтому применение внутренней забойки при ведении взрывных ра­ бот в горных выработках шахт, опасных по газу или пыли, строго обязательно.

Герметизация забойкой взрывной камеры оказывает значитель­ ное влияние на полноту протекания первичных и вторичных реакций

впроцессе взрывчатого превращения ВВ, снижая объем образован­ ных при взрыве ядовитых газов.

Качество забойки определяется видом применяемого забоечного материала. Сопротивление единицы площади поперечного сечения забойки одинаковой длины, но изготовленной из различных мате­ риалов изменяется в широких пределах. Поэтому правильный выбор материала забойки имеет большое практическое значение. Основными требованиями, предъявляемыми к забоечным материалам, являются, обеспечение высокой сопротивляемости выталкивающему действию продуктов детонации; удобство в обращении и возможность механи­ зации работ по забойке; низкая стоимость.

По физико-механическим свойствам и характеру сопротивления выталкивающему действию продуктов детонации все используемые

внастоящее время типы забоечного материала можно сгруппиро­ вать следующим образом:

забойка из пластичных материалов; забойка из сыпучих материалов; жидкостная забойка; забойка из твердых материалов;

забойка раствором быстрозатвердевающих веществ.

К п л а с т и ч н ы м з а б о е ч н ы м м а т е р и а л а м отно­ сится глина, смесь глины с песком, суглинки, которые имеются повсеместно. Такая забойка оказывает сопротивление выталкива­ ющему действию продуктов детонации за счет совместного действия инерции покоя массы забойки, сил трения и сил внутреннего сцеп­ ления забоечного материала. Для увеличения последних в глину обычно добавляют песок в соотношении 1 : 2 или 1: 3.

Для механизированного изготовления пыжей песчано-глинистой забойки разработаны и широко применяют на практике различные пыжеделательные машины, которые подразделяются по конструктив­

404