Формула (XXX.1) дает удовлетворительные результаты при со поставлении расчетных данных с инструментально замеренными значениями скоростей смещения при ядерном взрыве в диапазоне расстояний от 0,5 до 350 км.
Отиосительное количество энергии взрыва, трансформирующееся в сейсмическую волну, составляет меньше 1 %. Однако при ядерных взрывах абсолютное значение этой величины весьма значительно, что обусловливает полное или частичное разрушение различных объектов на расстоянии 2,5—5 км и более. Расстояния, на которых не наблюдается деформаций в конструкциях, опасных для их устой чивости, называются сейсмобезопасными.
Сейсмический эффект взрыва определяется параметрами сейсми ческих волн, образованных взрывом в месте расположения сооруже ний. С другой стороны, при определении безопасных расстояний необходимо знать реакцию того или иного сооружения на действие этих воли.
Вопрос о действии сейсмических волн на сооружение весьма сложен. Поэтому очень большое значение приобретают эксперимен тальные зависимости, позволяющие установить связь между пара метрами колебаний поверхности грунта и окончательной реакцией на них сооружения, т. е. появление тех или иных его повреждений.
Работами акад. М. А. Садовского впервые было установлено, что для типичных гражданских зданий величина критической ско рости составляет 10—14 см/с. Если подставить это значение в фор мулу скорости смещения, получим зависимость для определения сейсмобезопасного расстояния:
7?йез = 0,215/Р-6(?":4в46, км.
Размещение объектов за пределами расстояний, определенных по этой формуле, в значительной мере обусловливает их безопасность, но не гарантирует от незначительных нарушений конструкции, не опасных для устойчивости сооружения в целом. Следует иметь в виду, что сейсмическое проявление ядерного взрыва настолько сложное явление, обусловленное множеством факторов, что однозначный ответ для реальных условий взрыва может быть получен только в результате предварительных сейсмических исследований.
§ 128. Буровзрывные работы при проведении горных выработок в мерзлых н замороженных породах
Свойства и классификация мерзлых пород. Для правильного выбора способа и средств, а следовательно, и эффективного произ водства буровзрывных работ в мерзлых породах необходимо учиты вать специфические особенности этих пород, заключающиеся в слож ном характере их физического состояния. Содержащаяся в породе так называемая свободная вода при понижении температуры ниже нуля переходит в лед, приводя к цементированию отдельных зерен
и их агрегатов, в связи с чем породы типа чистых песков при замер зании становятся монолитными, а физико-механические свойства их приближаются к свойствам скальных пород.
Породы, в состав которых входят глинистые и пылевидные фрак ции, наряду со свободной водой содержат так называемую связанную воду, физико-химическая природа которой резко отличается от сво бодной (более низкая температура замерзания, большая плотность, иной химический состав).
Низкая температура замерзания связанной воды приводит
ктому, что при замораживаиии глиносодержащих дисперсных пород,
атакже пород со слабой минеральной цементацией (мягкие глини стые сланцы, мергели с низким содержанием извести, мергелистые
сланцы, песчанистая глина, супеси, суглинки мягкие, алевролиты и др.) часть этой воды (иногда значительная) остается в жидкой фазе. Этим и объясняется часто наблюдаемое на практике сохранение пластических свойств некоторыми видами глиносодержащих пород даже при относительно низких отрицательных температурах. Со стояние таких пород, согласно принятой терминологии, называется пластичномерзлым.
При замерзании цементация льдом у обломочных пород либо неполная, наблюдаемая в пределах отдельных структурных агрега тов, либо вообще отсутствует.
Отбойку твердомерзлых пород с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьякопова / > 2 производят обычно взрыв ным способом. Иногда, при неблагоприятной гидро-геологической обстановке, отбойку дисперсных разновидностей пород производят отбойными молотками п пневмоломами. В остальных случаях при меняют буровзрывные работы.
Бурение шпуров в скальных породах, а также в чистых песках твердомерзлой консистенции осуществляется теми же бурильными молотками, что и в обычных условиях. В настоящее время чаще всего применяют обычные серийные перфораторы.
Для снижения пылеобразоваппя, особенно при бурении в крепких кварцсодержащпх мерзлых породах, бурение, как и в обычных усло виях, осуществляется с промывкой. Для предотвращения замерза ния промывочной жидкости, а также вмерзания в полости шпура бу рового инструмента в жидкость добавляется хлористый кальций, при этом требуется соблюдение определенных мер предосторожности.
При проходке выработок по рыхлым пластичномерзлым породам (суглинки, супеси и др.), а также по породам со слабой минеральной цементацией (мергель, мергелистые сланцы, мягкие алевролиты, мягкие глинистые сланцы и др.) с / < 3 шпуры бурятся вращательным способом с использованием в основном пневматических сверл СПР-11м
или СР-3.
Параметры буровзрывных работ, независимо от категории пере секаемых мерзлых пород и способов бурения, определяют по расчет ным формулам, используемым при обычных способах проходки. При проведении стволов в искусственно замороженных породах,
всвязи с опасностью нарушения защитного ледопородиого цилиндра,
атакже замораживающих колонок, расстояние окружности перифе рийных шпуров от стенок ствола установлено Правилами безопас ности и должно быть более 0,3 м. Безопасное расстояние от пери ферийных шпуров до замораживающих колонок составляет не менее 1,1—1,2 м.
Это условие связано с действием системы отраженных и проходя щих волн, возникающих на границе раздела замороженных и талых пород при взрыве периферийных зарядов. При этом, если интенсив ность отраженных воли на каком-то расстоянии от контактной по верхности вызовет напряжения в замороженной среде, большие или равные сопротивлению ее на разрыв, то произойдет ее откол в сто рону выработки. Чем ближе линия расположения периферийных шпуров к контактной области, тем большую интенсивность будут иметь отраженные и проходящие волны. Последнее может привести к повреждению замораживающих колонок.
При взрывании мерзлых пород в зависимости от категории кре пости и газообильиости в качестве ВВ применяют обычно аммониты ПЖВ-20„'и скальный № 1 (порошкообразный или прессованный (см. табл. 96). Последние обладают хорошей морозостойкостью и безопас ностью в обращении в условиях низких отрицательных температур.
Способ взрывания применяют электрический, при этом в качестве средств взрывания, исходя из конкретных горнотехнических условий, обычно используют электродетонаторы мгновенного (ЭД-8-56С), короткозамедленного (ЭДКЗ) со ступенями замедления 25, 50, 75, 100 и 150 мс и замедленного (ЭДЗД) действия с замедлением от 0,5 до 10 с.
Буровой инструмент, как при ударно-поворотном, так н при
вращательном способах бурения, применяют такой же, как п при бурении по немерзлым крепким и средней крепости породам. При периферийном бурении лучшие результаты дают Т-образные и кресто образные коронки диаметром 40—45 мм.
Особенности производства буровзрывных работ в мерзлых дисперсных породах и в породах со слабой минеральной цементацией. В некоторых случаях при близком расположении водоносных горизонтов илп подходе забоя ствола к зоне контакта пластичномерзлых пород с крепкими скальными породами, когда ведение взрывных работ по правилам безопасности при проходке стволов шахт специальными способами недопустимо, разработка таких пород осуще ствляется так же, как и дисперсных разновпдиостей твердомерзлых пород — механическим способом с использованием ручных ппевмоотбойных инструментов. В остальных, более благоприятных условиях отбойку пластичномерзлых пород стремятся осуществлять взрывным способом, эффективность которого по срав нению с механическим очевидна. Однако до настоящего времени взрывной способ отбойки этих пород применяют в крайне ограниченных масштабах, что наряду с опасностью нарушения ледопородного ограждения, вызвано осложнениями, связанными с бурением шпуров как при ударно-поворотном, так и при враща тельном способах буренпя. Эти осложнения заключаются в следующем.
При перфораторном бурении выдуваемые из забоя шпура ^частицы породы, содержащие фракции водно-коллоидного характера, под действием положи тельной температуры сжатого воздуха, а также удара бурового инструмента оттаивают, превращаясь в кашеобразную массу. Двигаясь по кольцевому за-
зору, эта масса вновь попадает в область отрицательных температур п, при липая к стенкам шпура гг поверхности буровой штанги, замерзает. Постепенно накапливаясь, она полностью перекрывает кольцевой зазор между буровой штангой и стенками шпура. В результате происходит обмерзание и заклинивание бурового инструмента. Кроме того, в процессе бурения центральное продувочное отверстие коронки п ее боковые канавки также забиваются частицами оттаявшей породы. При этом циркуляция воздуха между коронкой и стенками шпура пре кращается, буровая мелочь утрамбовывается и дальнейшее буренне становится невозможным. При бурении перфораторами в скальных твердомерзлых породах (песчаники, известняки п др.) подобных осложнений не происходит.
С аналогичными осложнениями сталкиваются и при вращательном способе бурения в пластичномерзлых породах глинистого состава с использовавшем: пневмосверл. Разрушенная резцом порода, находясь некоторое время в при забойном пространстве шпура, увлекается резцом во вращательное движение. Перемещаясь вверх и в периферии шпура, частицы породы выходят из зоны вращательного движения и испытывают лишь подпор со стороны вновь обра зующихся частиц, направленный вертикально вверх. Дойдя до первого витка штанги, последние увлекаются ею к устью шпура, часть же буровой мелочи задерживается под действием сил трения в месте соединения штанги с резцом. Частично оттаивая в процессе бурения, эта часть штыба налипает на стенку шпура и тело штанги, а затем вновь замерзает и препятствует движению вверх новой порцпи штыба, в результате чего буровой инструмент заклинивается гг вмерзает в шпур.
При бурении специальными шнеками в пластичномерзлых породах (мягкие мергели) (ствол № 2 II ОКК Белорусского СШУ) с использованием пневмосверл, так же как и при вращательном бурении обычными витыми буровыми штангами, наблюдалось обволакивание шнека и резца буровой мелочью, при замерзании которой образуются сальники, препятствующие выдаче из полости шпура новых порций выбуриваемой породы. При этом дальнейшее бурение прекращается. Средняя техническая скорость бурения составляет около 300 мм/мин.
В твердомерзлых породах, в частности в крепких мергелях, обволакивание шнека обычно незначительно и процесс бурения протекает без каких-либо ослож нений. Скорость бурения при этом достигает 760 мм/мин. С увеличением степени пластичности мерзлых пород, бурение их шнеками ухудшается и в особо пла стичных породах с большим содержанием глинистых частиц вообще становится невозможным.
При перфораторном бурении средние технические скорости в этих породах, по данным ВНИИОМШС, для молотков типа ПР не превышают 250 мм/мин. Следовательно, использование существующих средств бурения шпуров в пластпчномерзлых породах оказывается либо малоэффективным, либо вообще невозможным.
В настоящее время разработан эффективный способ образования полостей шпуров в пластичномерзлых и в некоторых видах твердомерзлых пород путем уплотнения пли продавливания их на необходимую глубину с помощью спе циального газодинамического устройства, исполнительный орган которого представляет собой удлиненную цилиндрическую штангу-пробойник с заострен ной ударной частью. Принцип работы устройства заключается в следующем. Под действием газов высокого давления, образующихся пли заключенных в гер метичной оболочке рабочей камеры, штанга-пробойник разгоняется в напра вляющей конструкции до скоростей порядка нескольких десятков метров в се кунду и внедряется в мерзлую породу до требуемой глубины. После извлечения штанги с помощью специального съемного устройства получается цилиндри ческая полость заданной глубины с гладкими и устойчивыми стенками. Таким образом выполняют весь комплект шпуров. Дальнейшие операции по заряжанию шпуров и взрыванию зарядов производят обычными методами. Основными пара метрами описанного устройства являются: величина заряда газообразующего вещества, в качестве которого используются заряды беспламенного взрывания типа гпдрокс, обладающие хорошими метательными свойства™; длина напра вляющей конструкции (ствола); длпна (масса) штангп-пробойнпка и расстояние от пижнего среза направляющего ствола до поверхности забоя проходимой
выработки. Оптимальные значения указанных параметров для образования полостей шпуров диаметром 40 мм и глубиной до 1 м в породах с / =5 2, уста новленные в процессе лабораторных п полевых испытаний, имеют следующий диапазон:
Величина заряда гпдрокс, г ............................................. |
м |
|
‘ |
50—100 |
Длина направляющего ствола, |
|
1,5—2,0 |
Длина штангп-пробойипка, м |
направляющего.......................................... |
ствола |
1,25—1,5 |
Расстояние от нижнего |
среза |
|
до поверхности забоя, |
равное илц |
большее |
длины |
1,25—1.5 |
используемой штангп-пробойнпка, |
м .......................... |
|
Разработанный способ образования шпуров в мерзлых породах, где при» ыененпе существующих способов и средств сопряжено с описанными выше осложнениями, позволяет бесперебойно п производительно осуществлять этот процесс.
В качестве ВВ для разрушения пластичномерзлых пород применяют п при веденные выше морозостойкие аммониты в патронах диаметром 36 мм. Как правило, для разрушения вязких пород вообще требуется увеличенный удельный расход ВВ, однако, учитывая необходимость соблюдения мер предосторожности при ведении работ под защитой ледопородного ограждения, а также возможности наличия в этих породах крупных ледяных прослоев, ослабляющих массив, расход ВВ в периферийном комплекте шпуров следует принимать уменьшенным по сравнению с обыкновенными условиями на 20—30%. Соответственно умень шается также п число шпуров в этом комплексе. Этп меры обеспечивают рас трескивание массива по плоскостям ослабления (ледяные прослойки) в пери ферийной зоне, не вызывая дробления породы,
§ 129. Коптурное взрывание
Применение взрывной отбойки при проведении горных вырабо ток приводит к частичному разрушению массива горных пород за проектным контуром выработки. В результате фактические размеры поперечных сечений выработок в проходке превышают проектные, стенки выработок приобретают неровные очертания, образуются заколы и трещины в законтурном массиве, что требует дополнитель ных работ по уборке излишне вынутой горной массы и забучиванию или тампонажу закрепного пространства, снижает устойчивость выработок и вызывает необходимость установки усиленной крепи. Все это снижает темпы и повышает стоимость проходки и поддержапия выработок.
При разработке жильных месторождений разубоживание руды в значительной степени является следствием нарушений при ведении взрывных работ.
Установлено, что при проведении вертикальных и горизонталь ных выработок объем переборов породы достигает 12—20%. В то же время действующие нормативы СНиП допускают при проектировании проходческих работ перебор по контуру выработки, в зависимости от категории пород, 5—8% от полезной площади сечения выработки, определяемой наружным контуром шахтной крепи.
Способы ведения буровзрывных работ, при которых проектный контур выработки получается без переборов породы, при незначи тельной шероховатости стенок и отсутствии нарушенности законтур ного массива называют контурным взрыванием. Способы контурного
взрывания разделяют на две группы: с б л и ж е н н ы х з а р я д о в ( г л а д к о с т е н н о е в з р ы в а н и е ) и п р е д в а р и т е л ь н о г о щ е л е о б р а з о в а н и я .
Способы, относящиеся к первой группе, применяют при прове дении подземных горных выработок; они основаны на сближенип оконтуривающих шпуров, уменьшении коэффициента заряжания, рассредоточении зарядов, уменьшении диаметра патронов ВВ,
введении в шпур |
со |
стороны стенок выработки вкладышей, при |
менении зарядов |
с |
продольными кумулятивными выемками |
и т. д. |
|
|
Способы, относящиеся ко второй группе, применяют при соору жении открытых выемок и подземных выработок большого попе речного сечения, проводимых с разработкой сечения по этапам и основаны на создании по контуру выработки щели в результате опережающего взрыва оконтуривающих шпуров или скважин. От бойка породы внутри взрываемого объема производится после обра зования окоптуривающей щели. Образовавшиеся при этом ударные волны, проходя через окоптуривающую щель, теряют значительную часть энергии, в результате чего уменьшается иарушенность закон турного массива.
При проведении вертикальных и горизонтальных выработок на качество оконтуривания влияют: расстояние между оконтуривающими шпурами, л. и. с. и отношение между ними, т. е. коэффи циент сближения; величина удельного заряда; диаметр и конструк ция зарядов; очередность взрывания и расположение оконтурива ющих шпуров.
Расстояние между оконтуривающими шпурами и л. и. с. зарядов в них определяют из следующего условия. При взрыве ряда шпуро вых зарядов откаждого из них распространяется волна сжатия, результатом действия которой является образование радиальной зоны трещин вокруг шпура. При достижении свободной поверхности волна отражается и по массиву вглубь распространяется отраженная волна растяжения, которая приводит к образованию трещин, парал лельных свободной поверхности, и способствует отрыву породы. Отсюда коэффициент сближения зарядов, или отношение расстояния между шпурами к л. и. с., должен быть таким, чтобы между шпурами образовалась трещина раньше, чем отраженная от свободной поверх ности волна подойдет к линии оконтуривающих шпуров. Образо вавшаяся трещина преградит путь отраженной волне, в результате
чего законтурный |
массив останется неповрежденным. |
|
Величину л. н. |
с. определяют по формуле |
|
|
см, |
(XXX.2) |
где рдет — детонационное давление в шпуре, кгс/см2; ар — времен ное сопротивление породы растяжению, кгс/см2; гш— радиус шпура, см.
Расстояние между ншурамп
/ |
(Тст |
\ */* |
л' см, |
(ХХХ.З) |
а = Ы |
) |
|
где аст — квазпстатпческое давление в шпуре, кгс/см2. Коэффициент сближения оконтуривающих шпуров
n = W =0,4(1 + I/)s/s, |
(XXX.4) |
где у — отношение волновых сопротивлений,
а
Рис. 292. Схема конструкции зарядов в окоптурпваюшдх шпурах при гладко
стенном взрывании:
° — заряды нормального диаметра, рассредоточенные деревянными вкладышами; б — сплош ной заряд уменьшенного диаметра; е — заряд уменьшенного диаметра, рассредоточенный деревянными вкладышами; г — то же, воздушными промежутками; J — донный зарнд; г — деревянная пробка; 3 — патрон нормального диаметра; 4 — патрон уменьшенного диаметра; 5 — забойка; б — деревянный вкладыш; 7 — воздушный промежуток
У = _^ Г ’ <х х х -5>
где рвв и рп — соответственно плотность ВВ н породы, г/см3; D — скорость детонации ВВ, м/с; с — скорость звука в породе, м/с.
Коэффициент сближения при контурном взрывании не должен превышать 0,8—1,0.
Чтобы уменьшить нарушения законтурного массива радиальными трещинами, необходимо уменьшить бризантное действие взрыва.
Воконтуривающих шпурах необходимо уменьшить удельный заряд
истремиться к более равномерному распределению заряда по длине шпура. С этой целью применяют различные конструкции оконтурпвающих зарядов, наиболее типичные из которых приведены на
рис. 292. При контурном взрывании возможно применение зарядов уменьшенного диаметра (16—24 мм) в шпурах диаметром (36— 41 мм), а также применение шпуров малого диаметра, полностью заполненных ВВ.
Равномерность распределения заряда по шпуру достигается созданием радиальных или осевых воздушных промежутков.
При проведении вертикальных выработок с применением шпуров увеличенного диаметра вопросы правильного оконтуривания ре шаются следующим образом. При взрыве шпуровых зарядов сериями
Рис. 293. Схема расположения оконтуривающих шпуров в забое ствола
шахты диаметром 35 мм (левая сторона) н диаметром 51 мм (правая сторона)
каждый заряд в отдельности производит открыв породы в форме усеченного конуса. Основания таких конусов представляют собой комбинированные геометрические фигуры (рис. 293), стороны кото рых (ab, de, a'b', d'e'), прилегающие к стенке ствола, являются дугами эллипса, другие стороны (обращенные к центру ствола) — дугами окружности.
Оконтуривающие шпуры следует располагать таким образом, чтобы после взрыва эллипсовидные стороны конусов взрыва сосед них шпуров соприкасались между собой, т. е. чтобы точка Ъ совпа дала с точкой d, в результате чего отсутствовали бы сегменты невзорванной породы — недоборы. Для этого при обычных зарядах (диаметр 35 мм) оконтуривающие шпуры располагают на незначи тельном расстоянии друг от друга.
При шпуровых зарядах увеличенного диаметра при уменьшении числа шпуров соответственно увеличивается расстояние между ними, что вызывает увеличение недоборов породы. В этих условиях для сокращения необходимо увеличить число оконтуривающих шпуров при одновременном уменьшении величин заряда в них на 15—25%.
