Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Взрывные работы. Учебное пособие для вузов.pdf
Глава 3
ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВОВ НА СООРУЖЕНИЯ И ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ
3.1. Взрывы на земной поверхности
Для оценки действия воздушных взрывных волн на
сооружения можно использовать экспериментальные
зависимости. Расстояния от центра взрыва, м, на кото
рых возникают повреждения сооружений, определя
ются по формулам:
èëè ==RKQ RKQ
,
12
3
где Q — масса заряда, кг (тип ВВ при расчете бе
зопасных расстояний не учитывают);
К1 и К2— коэффициенты, принимаемые по табли
це 3.1.
Таблица 3.1
Заряд, заглублен-
ный на его высоту:
<=20 ò
> 20 ò
<=20 ò
> 20 ò
20–50 – –
5–12 – –
400
100
30–50 – – – 2–4 – –
200
50
Возможные повреждения
пасности
Степень безо-
Отсутствие по вреждений <=10 ò
I
Случайные повреждения застекле-
2
ния
Полное разрушение застекления,
частичное повреждение рам, дверей;
3
нарушение штукатурки и внутренних легких перегородок
Разрушение внутренних перегоро-
4
док, рам, дверей, бараков, сараев и т. п.
Разрушение малостойких каменны х
5
и деревянных зданий, оп рокидывание железнодорожных составов
Откры тый з аряд
Q Ê
>10 ò
<=10 ò
>10 ò
<=10 ò
>10 ò
Íå çàâèñèìî îò Q
Íå çàâèñèìî îò Q
Ê2 Q Ê1 Ê2
1
50–100 – –
10–30 – –
5–8 – –
2–4 – – 1–2 –
1,5–2 – – 0,5–1 –
331
Часть 3. Расчеты динамических процессов при взрывных работах
Коэффициент К2 используют для открытых заря
дов массой больше 10 т при 1, 2 и 3ей степенях безо
пасности и для зарядов массой больше 20 т, заглублен
ных на всю высоту, при 1ой и 2й степенях безопасно
сти. Для всех других случаев используют коэффициент
К1.
Если взрывы производят в узких долинах или про
ходах между стенами на улицах, то значения R должны
быть удвоены.
Если сооружение расположено за преградой лес
ных насаждений, возвышенности, тогда значения R
должны быть уменьшены, но не более чем в 2 раза.
Минимальное расстояние, на котором действие
воздушной волны еще безопасно для человека, опреде
ляют по формуле:
3
RQ=
min
,(115)
15
где Q — масса заряда ВВ, кг.
Пример. Открытый заряд ВВ, массой 8,1 т. взрывает
ся на расстоянии 2700 м от жилого поселка. Оценить
действие воздушных взрывных волн на здания в поселке.
Решение. 1. Минимальное безопасное расстояние
от места взрыва:
.
ì.R ==
По табл. 3.1 при
è=K
50
1
RKQ=
min 1
Q
10 ò
<
50 8100 4500
min
Следовательно, поселок находится в опасной зоне.
2. Фактическое значение коэффициента К
По таблице это соответствует второй степени бе
зопасности. В поселке возможны случайные повреж
дения застекления.
Проектирование подземных выработок основывает
ся на научном анализе нагрузок, напряжений и прочно
стных характеристик пород. Математический анализ
устойчивости подземных выработок от динамических
нагрузок значительно сложнее, чем от статических на
332
грузок, потому что распределение напряжений около
Ф
1
Глава 3. Влияние взрывов на сооружения и горные выработки
выработки от ударных волн меняется во времени. Кроме
того, прочностные характеристики пород при динамичес
ких нагрузках отличаются от таковых при статических
нагрузках. Вместе с тем, статические напряжения (с уче
том времени) определить труднее, чем динамические.
По результатам исследования Д. Ф. Коутса, наибо
лее вероятной причиной динамического разрушения
подземных горных выработок является подземная
ударная волна.
К настоящему времени исследования проведены в
основном для плоских волн с прямолинейным фронтом.
На рис. 3.1 (а) воздушная ударная волна движется по
земной поверхности. Скорость взрывной волны в воз
духе U больше, чем скорость сейсмических волн в по
роде. Следовательно, фронты продольной Р и попереч
ной S волн будут наклонены (назад) от фронта воздуш
ной волны. Углы наклона определяются из выражений:
sin / / /
β
== =
AC AB C t Ut C U
()
pp
;
CU
S
,
sin /
α
=
где СP и СS— скорости продольной и поперечной волн
в породе.
Рис. 3.3. Действие поверхностного
взрыва на подземные выработки:
а — скорости волн; б — напряжение на фронте волны.
Это означает, что когда фронт воздушной взрыв
ной волны прошел расстояние АВ, фронт продольной
волны в породе пройдет расстояние АС и займет поло
жение СВ. Соответственно расположится и фронт по
перечной волны СS В.
333
Часть 3. Расчеты динамических процессов при взрывных работах
На рис. 3.1 (б) показано охватывание ударной вол
ной подземной выработки. В продольной волне возни
кает сжимающее напряжение, которое является фун
кцией времениσ(t), и растягивающее напряжение,
составляющее по абсолютной величине часть сжи
мающего напряжения Кσ(t).
Для случая поперечной волны нормально и парал
лельно ее фронту возникнут касательные напряжения,
которые могут быть преобразованы в сжимающие и
растягивающие напряжения, расположенные под уг
лом 45° к касательным напряжениям.
В настоящее время решения получены лишь для
одного из простых случаев, когда: скорость ударной
волны постоянна, длина ударной волны значительно
больше ширины выработки.
Кроме продольных и поперечных волн образуют
ся также поверхностные волны (Релея), напряжения от
которых сказываются лишь на небольших расстояни
ях от земной поверхности.
3.2. Подземные взрывы
При взрыве подземных зарядов для сооружений,
расположенных выше луча, исходящего из эпицентра
взрыва под углом 45° к вертикали, для максимального
динамического напряжения можно использовать фор
мулу
0,5
3
σ
=
KQR
()
f
,(116)
/
334
σ
где
— максимальное динамическое напряжение,
f
вызывающее разрушение породы около вы
работки;
Q — величина заряда;
R — расстояние от центра заряда до выработки;
К — параметр, принимаемый постоянным.
′
Отсюда для различных величин
σ
′′
σ
и
f
f
шение:
0,5
′
σ
KQR
f
1
=
′′ ′′ ′
σ
KQR
2
f
3
′′′
их отно
Глава 3. Влияние взрывов на сооружения и горные выработки
или, если К1 = К2:
1/3
′
σ
′′
f
′′′
σ
f
2
, (117)
где
Q
′′ ′
=
RR
Q
′
′′
и
R
′
σ
и
f
— расстояния от центра заряда;
R
′′
σ
— максимальные динамические напря
f
жения, вызывающие разрушение по
′
Q
и
роды;
′′
Q
— величина зарядов.
Если предположить, что σf пропорционально проч
ности породы на сжатие
′′ ′
RR
=
, то получим:
σ
сж
′′ ′
Q
σ
ñæ
′′′
Q
σ
ñæ
1/3
2
. (118)
На рис. 3.2 показано действие плоской волны, па
раллельной оси выработки, на стенку этой выработки.
Волна сжатия переходит в отраженную волну растя
жения, величина которой существенна только на рас
стоянии одного радиуса от стенки выработки.
При оценках устойчивости выработок необходимо
принимать во внимание малый срок действия напря
жений и динамические характеристики пород. На
рис. 3.3 показаны результаты опытных взрывов на ус
тойчивость выработки.
Рис. 3.2. Действие плоской волны параллельной оси
выработки.
335
Часть 3. Расчеты динамических процессов при взрывных работах
Рис. 3.3. Зоны влияния взрыва на устойчивость
выработки:
1 — почва выработки; 2 — кровля выработки; 3 — земная
поверхность;
4 — воронка выброса; 5 — центр заряда ВВ.
Результаты опытных взрывов вблизи тоннелей
позволили выделить четыре зоны влияния взрывов на
устойчивость выработок:
n зона I — полное разрушение выработки с выходом обру
шения в воронку взрыва;
n зона II — непрерывное разрушение выработки по всей
длине зоны. Объем разрушенной породы увеличивается
по направлению к месту взрыва;
n зона III — непрерывное разрушение пород с выпадением
в выработку на всей длине зоны;
n зона IV — разрушение выработки в отдельных местах,
связанное с трещиноватостью пород.
Расстояние внешней границы зон от места взрыва
(рис. 3.3):
1
RR
RR
где Rr— радиус взрывного разрушения пород.
336
;
=
RR
2 r
=
1,3
3
r
=
2,1
4
r
;
,
r
;
=
0,5
RR
Глава 3. Влияние взрывов на сооружения и горные выработки
Пример 1. Взрывом мощностью 4,5 кт тоннель был
полностью разрушен на протяжении 250 м, местные
разрушения наблюдались на протяжении 600 м. Проч
ность пород на сжатие составляла 42 мПа. Оценить
действие взрыва мощностью 0,5 кт в породах прочно
стью на сжатие 210 мПа.
Решение. 1. Длина полного разрушения выработки
по формуле (118):
R
=⋅=
250 41,2
1
210 4,5
ìÏa
.
13
2
42 0,5
2.Длина выработки, на которой возможны местные
разрушения:
R
2
=⋅=
600 98,8
210 4,5
ì
.
13
2
42 0,5
Устойчивость выработки можно повысить, прокла
дывая слой рыхлого или мягкого материала между
бетонной крепью и породой.
Допустимые относительные деформации горных
сооружений в зависимости от их класса приведены в
таблице 3.2.
По методике ВНИМИ сейсмобезопасное расстоя
ние Rс и допустимая масса заряда Q∂, взрываемая од
новременно, определяются по допустимым скоростям
смещения пород для подземных выработок (табл. 3.3) по
формулам:
1
RK Q
=⋅
Ñr
cos
α
ϑ
R
≤
Q
ä
cos
K
r
ϑ
äâ
n
äâ
3
α
n
3
; (119 à)
,
где Q — масса заряда, кг;
R — расстояние от объекта до условного центра
взрыва, м;
(119 á)
337
Часть 3. Расчеты динамических процессов при взрывных работах
Кr— коэффициент сейсмического действия (равен
450, 400 и 350 при распространении взрыв
ных волн соответственно через рудный мас
сив, вмещающие породы и камеру в направ
лении к междукамерному целику);
— угол падения сейсмoвзрывной волны на от
α
крытую поверхность, град.;
ϑ
— допустимая скорость смещения, см/с (табл. 3.3);
∂
nв— число ступеней взрывания (при порядном
взрывании — число рядов).
Таблица 3.2
Класс
соору-
Характеристика сооружений
жений
I Особо ответственные сооружения длительного срока
эксплуатации (более 10–15 лет): гидротехнические
тоннели, стволы шахт, капитальные штольни, камеры дробления, водоотлива, рудничные дворы
II Ответственные сооружения со сроком эксплуатации
более 5–10 лет: обводные и транспортные тоннели
гидротехнических сооружений, надкамерные целики, квершлаги, уступы карьеров, отвалов
III Кратковременно эксплуатируемые сооружения
(îò 1 до 5 лет): камеры, уступы, штреки
IV Неответственные сооружения со сроком эксплуата-
öèè äî 1 года: очистные блоки, рабочие уступы,
рабочие борта карьеров
Допустимая относительная упругая
деформация
0,0001
0,0002
0,0003
0,0005
Величина допустимой скорости смещения зави
сит от характера и назначения горных выработок, ка
мер, целиков. Все подземные выработки по степени их
важности делятся на четыре класса:
n I — особо ответственные (срок службы более 10 лет):
стволы шахт, капитальные штольни, камеры водоотлива,
дробления и т.п.;
n II — ответственные (срок службы 5–10 лет): около
ствольные дворы, квершлаги и т.п.);
n III — эксплуатируемые кратковременно (срок службы
1–3 года): подземные камеры, транспортные и вентиля
ционные штреки и т.п.);
n IV — неответственные (срок службы до 1 года): буровые и
338
скреперные орты и штреки, блоковые восстающие и т.п.).
Глава 3. Влияние взрывов на сооружения и горные выработки
Таблица 3.3
Степень
безопас-
ности
Возможные повреждения
Отсутствие повреждений <=10 ò
1
Случайные повреждения застек-
2
ления
Полное разрушение застекления,
частичное повреждение рам,
3
дверей; нарушение штукатурки и
внутренних легких перегородок
Разрушение внутренних перего-
4
родок, рам, дверей, бараков,
сараев и т. п.
Разрушение малостойких каменных и деревянных зданий, опро-
5
кидывание железнодорожных
составов
Если сооружения подвергаются многократной взрыв
Открытый заряд Заряд, заглубленный на
Q Ê
>10 ò
<=10 ò
>10 ò
<=10 ò
>10 ò
Íå çà âèñèìî îò Q 2–4 – – 1–2 –
Íå çà âèñèìî îò Q 1,5–2 – – 0,5–1 –
Ê2 Q Ê1 Ê2
1
50–100 – –
400
10–30 – –
100
5–8 – –
30–50 – – – 2–4 – –
<=20 ò
> 20 ò
<=20 ò
> 20 ò
его высоту:
20–50 – –
5–12 – –
200
50
ной нагрузке, то допустимая масса заряда снижается в
соответствии с коэффициентом Км, значения которого, в
зависимости от числа взрывов, приведены в таблице 3.4.
Таблица 3.4
Число взрывов в год 10 50 100 250 500
Значение КМ 0,98 0.9 0,72 0,64 0,56
Принимается
′
QQK
=⋅
ääM
По Б.Н. Кутузову ориентировочные значения до
пустимых (критических) скоростей смещений массива
в основании охраняемых объектов (м/с):
Крутонаклонные (L=50 ÷ 80°) откосы долговре
менных бортов и уступов:
n в скальных массивах с благоприятной структурой
0,2–0,4;
n то же с неблагоприятной структурой массивов (при нали
чии трещин с падением 30–70° в выработанное простран
ство 0,06–0,2;
n в малосвязных (нескальных) водонасыщенных грунтах
0,06–0,12.
Здания и сооружения:
n жилые и общественные здания всех типов, высокие кир
пичные трубы 0,01–0,03;
n административнобытовые и промышленные здания, высо
кие железобетонные трубы, эстакады, мосты 0,03–0,06;
339
Часть 3. Расчеты динамических процессов при взрывных работах
n одноэтажные каркасные промышленные здания, монолит
ные железобетонные сооружения, фермы и металлоконст
рукции внутри карьерных сооружений полустанционарно
го и станционарного типа, электростанции 0,06–0,12.
n передвижные карьерные установки, машины и механиз
мы с электрическим и тепловым приводом 0,15–0,3.
Подземные горные выработки без крепления:
n в породах с f ≤ 10 0,2–0,4
n в породах с f > 10 0,4–0,6.
Закрепленные подземные горные выработки:
n в породах с f ≤ 10 0,4–0,6
n в породах с f > 10 0,6–0,8
Транспортные и гидротехнические тоннели: 0,06–0,12.
Пример 2. Определить допустимую массу заряда,
обеспечивающего сохранность откаточного орта, прой
денного в слаботрещиноватых породах с коэффициен
том крепости f =12 перпендикулярно направлению
взрывной волны. Расстояние от орта до места взрыва
60 м. Число ступеней взрывания — 3. Взрывная волна
проходит к орту через рудный массив. Число взрывов в
год — 20.
Кг = 450; по таблице 3.3 находим
ϑ
=44,5 см/с;
∂
интерполяцией данных из табл. 3.4 находим
−
=− −=
K
M
0,98 0,9
0,98 20 10 0,96
50 10
()
−
.
Допустимая масса заряда
3
′
QQK
=⋅
ääM
′
=⋅=
QKT
ä
450
44,5 3
1
11
⋅
0,96 14700
60
Общая фомула для расчета скорости смещения
породного массива под действием взрыва имеет вид:
=
/
KQR
()
n
3
ϑ
где К — коэффициент условий взрывания;
340
Q — масса заряда, кг;
.
(120)