Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы взрыва. Монография
.pdf
Глава 5. ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА В ТВЕРДОЙ СРЕДЕ
Рис. 5.1. Схема сфер действия взрыва
5.1. Сферы действия взрыва
Взрыв в твердой среде наиболее широко используется в
горнодобывающей и строительной отраслях промышленности с целью
дробления и перемещения больших объемов горных пород,
возведения плотин, образования водоемов и траншей, рыхления и
уплотнения грунта, строительства каналов и гаваней и т.д. Если
представить взрыв в неограниченной твердой среде, в которой
располагается сферический заряд, инициируемый с центра, то можно
выделить сферы действия взрыва [5.1].
Под ними понимается объем среды, где под воздействием взрыва
происходит нарушение ее сплошности и распространение ударной
волны. При взрыве в этих условиях газообразные продукты взрыва
расширяясь займут некоторый объем R
(рис. 5.1), а слои среды,
газ
расположенные непосредственно вокруг заряда ВВ, одновременно
подвергаются под высоким давлением воздействию продуктов взрыва,
что выражается в сильном сжатии и измельчении среды.
заряда ВВ в неограниченной
твердой среде
Эту область принято называть сферой сжатия и измельчения, где
характер деформации зависит от свойств твердой среды. Если среда
71
обладает свойствами сжимаемости (глина, грунт), то образуется сфера
сжатия. При незначительной степени сжимаемости (крепкая порода,
бетон) газы взрыва измельчают эту часть среды.
В последующих слоях среды интенсивность вызываемых
взрывом возмущений уменьшается, но она достаточна для нарушения
связи между частицами среды. В этих слоях образуются трещины,
которые нарушают монолитность среды и последняя распадается на
отдельные куски. Область такого действия называют сферой
разрыхления или разрыва породы. Наконец, в слоях еще более
удаленных от центра взрыва, действие ПВ ослабевает до такой
степени, что оно уже не в состоянии нарушить связь между частицами
среды и поэтому производит только колебательные действия частиц
среды, сотрясая эти слои, но не разрушая их. Эта область является
сферой сотрясения.
Сфера сотрясения характерна тем, что здесь возможные
разрушения создаются ударной волной, распространяемой в виде
упругих колебаний частиц среды. Такое действие называют еще
сейсмическим, а волны их вызывающие - сейсмическими волнами.
Эта сфера действия, хотя по возможным разрушительным действиям и
уступает в значительной мере предыдущим сферам, но превосходит
их по своей протяженности.
Деление на различные сферы действия взрыва в твердой среде
является сугубо условным, между ними нет четко выраженных
границ, и считается, что каждая сфера плавно переходит в другую.
При взрывных работах практическое значение имеет совокупность
сфер сжатия и разрыхления, поэтому они объединяются под общим
названием сферы разрушения.
После действия взрывной нагрузки, в результате падения
давления во взрывных газах, сильно сжатая вблизи заряда ВВ часть
породы начинает разрушаться и расширяться (обычно незначительно),
в сторону центра взрыва. Такая разгрузка приводит к дополнительным
разрушениям. Образующуюся при взрыве полость, называемую
иногда камуфлетной полостью, обычно трудно сохранить, так как
верхняя ее часть не выдерживает горного давления и обрушивается
под весом вышележащей породы, прочность которой нарушена при
взрыве. Все изложенное относится к случаю взрыва заряда в
неограниченной твердой среде и носит название внутреннего или
камуфлетного взрыва. При этом механизм разрушения твердой среды
под воздействием взрыва заряда ВВ в существенной мере зависит от
72
физико-механических свойств породы. По данным Г. И. Покровского
б – зона радиального трещинообразования
а
б
в скальных породах, отличающихся жесткостью и хрупкостью, вокруг
объема полости продуктов взрыва располагается сферический слой
мелко раздробленной и вместе с тем уплотненной действием взрыва
породы, пронизанной поверхностями скольжения (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Схема зоны
радиального трещинообразования:
а – зона измельчения;
В результате образуется зона сильно деформируемой
(измельченной) породы с системой многочисленных пересекающихся
трещин. По мере удаления от центра взрыва напряжения в породе
снижаются и на определенном расстоянии становятся меньше
сопротивления породы раздавливанию, вследствие чего характер
деформации и разрушения среды меняется. Под воздействием ударной
волны и сжатых газов взрыва в среде в радиальном направлении
возникают сжимающиеся напряжения, а в тангенциальном –
растягивающие, которые и вызывают увеличение радиальных трещин.
Эти трещины расходятся в виде лучей, начинающихся на границе
73
уплотненного ядра. Между этими лучевыми трещинами обычно
имеются и трещины, перпендикулярные к радиусам. Такие трещины
возникают в процессе снижения давления газов взрыва, когда
происходит небольшое смещение породы к центру взрыва.
При дальнейшем удалении волны деформации от центра взрыва
растягивающие тангенциальные напряжения уменьшаются и
становятся меньше величины сопротивления породы растяжению.
Поэтому за пределами динамической прочности породы
разрушений происходить не будет, а будут иметь место только
упругие колебательные смещения частиц породы в виде сейсмических
волн. Если сфера разрушения достигает открытой поверхности, что
чаще всего имеет место на практике, картина воздействия взрыва
заряда ВВ на породу существенно меняется [5.2-5.4]. Основное
значение при этом имеет отражение волн сжатия от свободной
поверхности породы. В этом случае волна сжатия, возникающая при
взрыве в твердой среде, сжимая ее, приводит к накоплению в породе
некоторого запаса упругой энергии. Как только волна сжатия доходит
до свободной поверхности, сжатая порода свободно расширяется в
сторону этой поверхности, где не возникает сопротивления. Движение
породы в сторону свободной поверхности передается все более
удаленным от поверхности слоям среды. Другими словами, волна
сжатия, отражаясь от свободной поверхности, превращается в волну
растяжения или разрежения. Напряжения в волне растяжения по
своим абсолютным величинам обычно меньше, чем в волне сжатия.
Однако в виду того, что сопротивление растяжению горных пород
меньше сопротивления сжатию, волна разрежения производит более
значительные разрушения, чем волна сжатия.
При взрыве заряда ВВ на некотором расстоянии от поверхности
часть разрушаемой среды выбрасывается в сторону открытой
поверхности и в среде образуется конусообразная выемка, называемая
воронкой выброса или взрыва (рис. 5.3).
Различают следующие элементы воронки выброса:
W – кратчайшее расстояние от центра заряда до ближайшей открытой
поверхности, называемое линией наименьшего сопротивления ЛНС;
r – радиус раствора (основания воронки взрыва);
R – радиус действия взрыва.
n = r / w - показатель действия взрыва или выброса, равный отно-
шению радиуса воронки к ее глубине.
74
Заряды, проявляющие наружное действие при взрыве с
0
rR
α
=
030
3
4
ρπ
rQ =
Рис. 5.3. Схема воронки выброса
при взрыве
образованием воронки в породе, называют зарядами выброса.
В зависимости от величины показателя действия взрыва различают
три разновидности зарядов выброса. Если n=1, то образуется воронка
нормального выброса, при n>1 – воронка усиленного выброса и при
n<1 – воронка уменьшенного выброса.
Практика показывает, что оптимальный выброс породы
реализуется при n = 2, а при n < 0,75 видимая воронка не образуется.
Расчет заряда выброса можно произвести исходя из принципа
геометрического подобия, согласно которому напряжения,
необходимые для раздавливания, растрескивания или любого
упругого изменения среды под действием взрыва, будут действовать
на расстояниях R, пропорциональных радиусу заряда r
, т.е.
0
,
где
α
- коэффициент пропорциональности, учитывающий свойства
среды.
В связи с тем, что масса сферического заряда ВВ равна
,
где
ρ
– плотность заряда.
0
75
Отсюда радиус заряда равен
3
3
0
0
4
3
Q
r
πρ
=
3
0
4
3
πρ
α
=k
3
QkR =
3
kR
Q =
3
wqQн=
обозначив через
получим
или
По этой формуле можно рассчитать то или иное действие заряда ВВ
на среду. Например, можно определить сферы действия взрыва,
безопасные расстояния от заряда до объекта, не подлежащего
разрушению или повреждению при взрыве и т.д. При этом все зависит
от правильного определения коэффициента k, величина которого
может быть установлена путем опытов с использованием зарядов
малой массы. Зная, таким образом k, можно рассчитать и предсказать
действие зарядов ВВ, имеющих значительно большие размеры и
массу, но из того же сходного по свойствам ВВ. Здесь важна
сходность ВВ, в основном, не по детонационным свойствам, а по
энергии взрыва. Это связано с тем, что в разрушении твердой среды
участвуют не только ПВ, которые непосредственно соприкасаются со
средой, что имеет место при бризантном действии, а ПВ всего заряда
ВВ.
Для расчета массы заряда выброса на практике коэффициент k
целесообразно характеризовать через, так называемый, расчетный
удельный расход ВВ на один кубический метр взрываемой породы
для получения воронки нормального выброса, т.е. при n=1, когда r=w.
Расчетная формула для определения массы сосредоточенного
заряда принимает вид
где q
– расчетный удельный расход ВВ для воронки нормального
н
,
76
выброса данной категории породы, кг/м
3
)( wqnfQ
н
=
33
)6,04,0( wqnQ
н
+=
25
w
33
25
)6,04,0( w
w
qnQ
н
+=
3
. Эту величину удельного
расхода ВВ принимают за стандарт, характеризующий взрываемость
породы. В дальнейшем на основе обобщения данных практики
составляют классификацию горных пород по их взрываемости с
рекомендуемым удельным расходом ВВ для каждой категории пород.
Установлено, что величина удельного расхода зависит от
показателя действия взрыва. Это обстоятельство учитывается
введением в расчетную формулу, так называемой, функции показателя
действия взрыва f(n), которая учитывает изменение расчетного
удельного расхода ВВ при данном показателе действия взрыва по
сравнению со стандартным (при n=1).
Тогда формула для расчета заряда принимает вид
На основе анализа ряда взрывов наиболее точную эмпирическую
зависимость f(n) получил М. М. Боресков, поэтому сосредоточенные
заряды выброса рассчитывают по формуле его имени:
,
где f(n)=0,4+0,6n
3
– функция показателя действия взрыва.
При взрыве зарядов глубокого заложения возникает также
необходимость учета изменения энергии, затрачиваемой на подъем
единицы массы породы. Опыты показали, что для зарядов с w
>
25 м и
q > 100 формула Борескова приводит к заниженным результатам. Для
этих условий предложена формула Покровского с введением
рассчитанного им поправочного коэффициента, равного
и учитывающего повышение массы заряда под влиянием силы
тяжести на выброс породы с увеличением глубины заложения w:
.
77
5.2. Механизм и эффективность разрушения горных пород
Механизм разрушения горных пород под действием взрыва,
прежде всего, зависит от их физико-механических свойств. На этом
основании горные породы делятся на три группы. К первой группе
относятся крепкие породы с высокой акустической жесткостью
(произведение скорости распространения продольных волн в горной
породе на ее плотность). Разрушаются они, в основном, в результате
действия отраженных от открытой поверхности волн. Ко второй
группе относятся породы средней крепости и трещиноватые, которые
разрушаются от действия прямых и отраженных волн. К третьей
группе – слабые породы, разрушаемые, главным образом, под
непосредственным воздействием газов на стенки зарядной камеры, в
которой размещается заряд ВВ.
Механизм разрушения горных пород под действием взрыва
зависит не только от физико-механических свойств породы, но и в
значительной мере от величины взрывного импульса, создаваемого
при детонации заряда ВВ в твердой среде. При этом взрывным
импульсом называют изменение во времени давления газообразных
продуктов взрыва на стенки зарядной камеры. Путем изменения
формы импульса можно изменить и интенсивность разрушения
горных пород взрывом. Более интенсивное разрушение горных пород
происходит в том случае, когда действие взрывного импульса на
среду при номинальном пиковом давлении более продолжительное.
Это происходит благодаря увеличению как радиальных трещин, так и
трещин, вызванных действием отраженных волн.
Продолжительность действия взрывного импульса на породу
зависит от свойств ВВ, диаметра, высоты и конструкции заряда,
способов и условий взрывания. Эти параметры при ведении взрывных
работ можно регулировать, что приводит к изменению формы
взрывного импульса и дает возможность управлять механизмом и
интенсивностью разрушения горных пород взрывом.
Исходя из того, что интенсивность дробления зависит от
продолжительности действия взрыва на массив, можно
сформулировать основные направления совершенствования и
повышения эффективности взрывных работ на карьерах. Их можно
разделить на следующие группы:
- совершенствование типов ВВ путем увеличения зоны химической
реакции;
78
- совершенствование конструкции заряда в результате применения
комбинированных зарядов с внутрискважинным замедлением и
воздушных промежутков, обеспечивающих запирание газов
основного заряда;
- совершенствование параметров взрывных работ, таких, как диаметр
заряда, высота уступа при взрыве на выброс, сетка скважин.
Обычно под типом ВВ понимают категорию ВВ, обладающую
некоторыми общими качественными характеристиками по
химическому составу и технологии изготовления, а под сортом или
маркой ВВ – конкретную рецептуру. Критериями отбора типов ВВ
должны служить условия применения, которые требуют
специфических свойств ВВ и, соответственно, рецептурного состава и
технологии изготовления ВВ.
Отличительной особенностью современного развития
промышленных ВВ передовых горнодобывающих стран является
чрезвычайно высокий уровень производства и применения
простейших взрывчатых смесей типа аммиачная селитра – дизельное
топливо (АС-ДТ) и в последнее время эмульсионных составов.
Развитие и усовершенствование промышленных ВВ в России, как
и в СССР, осуществлялось в несколько ином направлении, и долгое
время основную часть промышленных ВВ составляли
гранулированные и порошкообразные патронированные аммиачноселитренные вещества, сенсибилизированные тротилом. Это
объясняется тем, что производство гранулированных ВВ
основывалось на более простой технологии и, главное, на таком
доступном и дешевом в России сырье, как тротил. В последнее время
стоимость тротила в России значительно возросла и, как следствие
этого, возросли цены на традиционные граммониты и
порошкообразные аммониты. Это способствовало развитию
производства других типов ВВ, в том числе нового поколения –
водосодержащих и эмульсионных ВВ. В основном это различные
гранулированные и эмульсионные составы на основе нитрата
аммония.
Дальнейшее развитие взрывных технологий связано с заменой
тротилсодержащих составов на простейшие ВВ на основе аммиачной
селитры типа АС-ДТ, водосодержащих и эмульсионных ВВ.
Отмечается тенденция перехода от ВВ заводского производства на
приготовление в местах потребления.
Указанные выше современные промышленные ВВ относятся к
79
грубодисперсным системам, отличающимся физической и химической
неоднородностью и многостадийностью процесса энерговыделения.
Поэтому они обладают увеличенной зоной химической реакции,
позволяющей в условиях заряда камеры более интенсивно
воздействовать на процесс дробления породы.
Наиболее распространенными зарядами на карьерах являются
удлиненные, которые по сравнению с сосредоточенными имеют
следующие преимущества - меньший объем работ по созданию
полости для размещения заряда и более равномерное распределение
заряда по массиву. Однако взрыв сплошного удлиненного заряда
имеет недостаток, заключающийся в переизмельчении породы в
ближней зоне за счет высокого давления газообразных продуктов в
зарядной камере, поэтому в дальнюю зону передается относительно
меньшее количество энергии, из-за чего порода в ней дробится на
более крупные куски. Существенное влияние на степень дробления
горной породы оказывает конструкция заряда. При равном выходе
горной массы с одного метра скважины и удельном расходе ВВ
рассредоточение заряда приводит к улучшению дробления за счет
увеличения зоны дробления по сравнению со сплошным зарядом. При
рассредоточении заряды разделяются на две или несколько частей,
между которыми оставляются воздушные промежутки.
Создание в скважине воздушных промежутков изменяет характер
действия взрыва в твердой среде:
- значительно снижается пиковое давление взрыва и, тем самым,
сокращается переизмельчение породы вокруг заряда;
- увеличивается время активного воздействия взрыва
вследствие того, что газы верхней части заряда поглощают
газообразные продукты взрыва нижней части заряда;
- происходит взаимодействие волн напряжений в массив от нижнего и
верхнего зарядов.
Для повышения эффективности действия и снижения затрат при
использовании рассредоточенных зарядов применяют, так
называемые комбинированные заряды, состоящие из нескольких
сортов или видов ВВ, позволяющих эффективно использовать как
маломощные, так и мощные ВВ. Например, при взрывании
обводненных частей скважин гранулированный тротил, алюмотол,
водоустойчивые аммониты размещают в обводненной части
скважины, а сухую часть скважин заряжают дешевыми ВВ, в
частности, игданитом.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]