РГВ, Пилипец В.И. Часть 1

5.ВЗРЫВНОЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

При взрывном способе порода разрушается последовательными многократными взрывами на забое зарядов взрывчатого вещества.

Известно три метода взрывного разрушения пород: -патронами жидких или твердых взрывчатых веществ

(50-граммовые ампулы), взрывающихся от удара о породу. Средняя проходка за один взрыв составляет 40-80 мм;

-струйный, при котором из взрывного устройства, располагаемого над забоем производится подача двух жидких компонентов взрывчатого вещества (горючего и окислителя) на забой и формирование плоского заряда, взрыв которого вызывается впрыскиванием третьего компонента инициатора (сплава калия и натрия). Взрыв протекает с небольшой скоростью и характеризуется низкой эффективностью. Кроме того при таком способе разрушения сложно удалять породу из забоя, так как на забой непрерывно подаются струи жидких компонентов;

-с помощью зарядов взрывчатого вещества, взрываемых от детонатора или детонирующего шнура.

Первые два метода применяются при разрушении горных пород в скважинах и находятся в стадии экспериментальных исследований.

По сравнению с механическими способами разрушения, взрывные способы в скважинах имеют некоторые преимущества, а именно: отсутствие потерь энергии на транспортирование зарядов взрывчатого вещества к забою скважины, исключение изнашивания породоразрушающего инструмента, возможность получения заданной формы скважины.

Радиус зоны трещинообразования в скважине можно установить из выражения

R = 3 Q / q ,

где Q-масса заряда, кг; q –удельный расход взрывчатого вещества. Принимается ориентировочно q =0,7 ρ (ρ- плотность

41

породы кг/м3).

В случае необходимости создания взрывом полости в скважине, можно расчитать диаметр такой полости по формуле

D = d П ,

где d –диаметр заряда,м; П –показатель простреливаемости, равный для пород средней крепости 35-65; для пород крепких - 15-30; для выветрелых пород -8-14; для роговиков, скарнов, мраморов, диабазов, гранитов –0,02-0,03 м3/кг.

В качестве взрывчатого вещества применяются флегматизированный гексоген и тротил. Эффективность такого способа разрушения пород зависит от бризантности заряда и его работоспособности.

5.1 Понятие о взрыве

Взрыв - чрезвычайно быстрое превращение вещества из одного состояния в другое, сопровождающееся переходом потенциальной энергии, заключенной в веществе, в кинетическую с выделением большого количества тепла и образованием газов, способных производить механическую работу.

Взрывы бывают физические, химические и ядерные. Физические – это взрывы, при которых происходят

только физические преобразования без изменения химического состава веществ. Это взрывы паровых котлов, баллонов сжиженного или сжатого газа, электрические разряды.

Сюда можно отнести также взрывы, основанные на электрическом инициировании химических веществ, так называемые способы беспламенного взрывания, при которых используется:

-энергия испаряющейся жидкой углекислоты (кардокс); -энергия расширяющихся газов горения невзрывчатых ве-

ществ (гидрокс, хемикол и нитрокс); -энергия сжатого воздуха (аэрдокс, эйрдокс).

Способы беспламенного взрывания могут быть использованы в шахтах, опасных по взрыву газа или пыли для разрушения угля, а также для подрывки некрепких боковых

42

пород.

Гидрокс (рис.5.1) состоит стального цилиндра 1 диаметром 54 мм и длиной 1320 мм, который закрыт зарядной 2 и разрядной 3 головками. В цилиндре 1, закрытом диском 4, помещается патрон 5, состоящий из плотной бумажной гильзы, заполненной смесью обменных солей (например – смесь нитрата натрия, хлористого аммония и жженной магнезии). Внутри патрона находится инициирующий патрон 6 и электровоспламенителем 7. Провода электровоспламенителя соединены со стержнями 8 и 9. Стержень 8 соединен с зарядной головкой. Стержень 9 и гильза 11 изолированы от головки. В гильзу 11 и отверстие 10 вставляются провода, идущие к взрывной машинке. В шпуре разрядная головка 3 направляется в сторону забоя.

Рис.5.1 Гидрокс

При включении тока, срабатывает электровоспламенитель 7, инициирующий патрон 6 с порошкообразным воспламенителем возбуждает реакцию в смеси обменных солей в патроне 5. При использовании заряда БВ-48 массой 0,29 кг выделяется около 0,11 м3 газов с низкой температурой, поэтому давление в цилиндре достигает 160 МПа. Диск 4 срезается, газы устремляются в полость разрядной головки и в шпур, давят на стенки шпура и разрушают уголь или породу. Благодаря косо направленным отверстиям под действием реактивного давления выходящих газов разрядная головка прижимается ко дну шпура.

Аэрдокс (рис.5.2) состоит из стальной трубы-цилиндра 1 длиной 1,1—2,3 м и диаметром 42—63 мм, разрядной головки 2 с выхлопными окнами 3, штуцера 4 для подключения к воздушной сети и запорного диска 5.

Патрон закладывается в шпур (который бурится на 0,2—0,5 м короче патрона) разрядной головкой в сторону забоя шпура. Специальным шлангом патрон через штуцер 4 соединя-

43

ется с воздухопроводом. В патрон подается сжатый воздух. Когда давление воздуха в цилиндре 1 достигнет 70 МПа, запор - ный диск 5 срезается.

Сжатый воздух выходит через выхлопные окна 3 в шпур и отбивает уголь. Перед следующим взрывом вставляется новый запорный диск 5.

Рис. 5.2 Аэрдокс

Кардокс (рис.5.3) состоит из металлического цилиндра 2, зарядной 1 и разрядной 6 головок.

Рис.5.3 Кардокс

При пропускании электрического тока, нагревательный элемент 3, состоящий из смеси перхлората калия, древесного угля и машинного масла подогревает жидкую углекислоту 4, которая, превращаясь в газообразную, бурно выделяет газы. Давление в цилиндре 2 повышается до 500 МПа, разрядный диск 5 срезается и газы через отверстия 7 разрядной головки 6 выходят в шпур, разрушая породу.

Химические – это взрывы, при которых происходят быстрые превращения химических веществ или смесей с образованием новых соединений и с выделением тепла и газов.

44

Сюда относятся взрывы взрывчатых веществ (ВВ), взрывы газов, в частности метана, взрывы угольной пыли.

Ядерные – это взрывы, при которых происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов.

5.2 Формы взрывчатого превращения взрывчатых

веществ

Различают следующие формы взрывчатого превращения: горение, взрывное горение и детонацию.

Горение — медленная, переменная по скорости, реакция окисления (от долей сантиметра до нескольких метров в секунду), протекающая при высокой температуре и основанная на теплопередаче.

Детонация—распространение взрыва по массе взрывчатого вещества со сверхзвуковой (2000-8000 м/с), постоянной для данного ВВ скоростью

При детонации теплопередача осуществляется ударной волной, представляющей собой мгновенный скачок давления, температуры и плотности, распространяющейся со сверхзвуковой скоростью, например, под воздействием быстро расширяющихся газообразных продуктов взрыва.

Ударная волна может возникать и распространяться в твердой, жидкой и газообразной среде.

Ударная волна, проходящая по взрывчатому веществу и вызывающая его детонацию (взрыв) называется детонационной волной.

В воздухе распространяется воздушная волна. Взрывное горение является как бы промежуточным

режимом между горением и детонацией. Скорость взрывного горения может быть достаточно высокой и достигать нескольких сот метров в секунду при относительно низких температурах.

При детонации и взрывном горении химическая реакция протекает в узкой зоне – фронте химической реакции, который перемещается по взрывчатому веществу.

45

В определенных условиях возможно изменение скорости взрывчатого превращения. В результате этого взрывное горение (при неблагоприятных условиях хранения) может перейти в детонацию или, наоборот, детонация—во взрывное горение.

Наиболее эффективной формой взрывчатого превращения является детонация, которая широко используется для разрушения горных пород, хотя в определенных условиях находит применение и взрывное горение.

Гидродинамическая теория детонации

Детонация – это сложное газодинамическое явление, особенности которого в настоящее время еще недостаточно хорошо изучены.

В настоящее время общепризнанной для порошкообразных взрывчатых веществ является так называемая гидродинамическая теория, которая с достаточной степенью достоверности описывает явление детонации (взрыва), используя основные положения гидродинамики.

Согласно этой теории, распространение взрыва по взрывчатому веществу обусловлено ударной волной.

При взрыве детонатора, исполняющего роль начального импульса, продукты взрыва производят резкий удар по прилегающему к детонатору слою взрывчатого вещества и формируют в заряде взрывчатого вещества ударную волну.

На фронте ударной волны происходит мгновенное разогревание узкого слоя взрывчатого вещества (для порошкообразного ВВ – доли миллиметра, у гранулированных ВВ – 30-40 мм) и возбуждается интенсивная, очень быстро протекающая химическая реакция с выделением тепла и газов.

Энергия этой реакции поддерживает амплитуду и скорость распространения ударной волны, которая, распространяясь по заряду взрывчатого вещества - является детонационной. На фронте этой детонационной волны снова происходит мгновенное разогревание уже нового слоя ВВ и возбуждается детонация и т.д. по всему объему заряда взрывчатого вещества.

За фронтом детонационной волны начинается расширение продуктов взрыва (детонации) с образованием волны раз-

46

режения, распространяющейся к центру заряда. Фронт волны разрежения не достигает фронта детонационной волны, и внутри заряда остается некоторый динамически стабильный объем не расширившихся газов, поддерживающих постоянство параметров детонационной волны. Если такое динамическое равновесие нарушается, то скорость детонации увеличивается или уменьшается вплоть до затухания./4/.

5.3 Механизм разрушения горных пород взрывом

Вследствие сложности и кратковременности протекания процессов взрыва и разрушения горных пород, в настоящее время нет универсальной теории, полностью раскрывающей физический смысл взрыва и разрушения с учетом всех факторов, влияющих на эти процессы.

На практике разрушение горных пород осуществляется тремя способами:

-разрушение породы одиночным зарядом;

-разрушение породы несколькими зарядами, взрываемыми одновременно;

-разрушение породы несколькими зарядами, взрываемыми последовательно (короткозамедленное взрывание).

Разрушение породы одиночным зарядом

Наиболее простой и, вследствие этого, общепринятой является теория Г.И. Покровского, основанная на пропорциональности размеров сферы разрушения и размеров заряда.

По этой теории предполагается, что при взрыве в твердой среде (большинство горных пород) скорость детонации ВВ значительно выше скорости деформации породы. Поэтому поверхность породы воспринимает действие взрыва одновременно на всей площади его соприкосновения с последней.

Вблизи заряда возникающие напряжения сжатия по своей величине приближаются к модулю сжатия пород. Поэтому породы в короткий промежуток времени сильно сжимаются и смещаются вслед за фронтом волны деформации. В результа-

47

те этого образуется зона сильно деформированной породы (рис. 5.4) с системой спиральных трещин скольжения.

По мере удаления от заряда напряжения сжатия быстро падают и на определенном расстоянии становятся меньше сопротивления породы раздавливанию, вследствие чего характер деформаций среды изменяется.

В этой зоне в результате значительного радиального смещения частиц породы возникают тангенциальные растягивающие напряжения, которые приводят к появлению радиальных трещин, расходящихся во все стороны от заряда.

Рис. 5.4 Схема действия взрыва в твердой среде по Г. И. Покровскому

а — зона раздавливания; б— зона трещинообразования

При дальнейшем удалении волны деформации от заряда, растягивающие тангенциальные напря-

жения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы разрыву. Далее разрушений, производимых прямым действием волны сжатия, не наблюдается, и происходят только колебательные смещения частиц породы. После прохождения волны сжатия и смещения породы полость вокруг заряда возрастает. В результате этого, а также прорыва газов взрыва через трещины в породе давление и температура газов в зарядной камере падают.

При падении давления газов сильно сжатая взрывом порода незначительно расширяется в сторону центра заряда. В результате этого в породе появляется ряд кольцевых тангенциальных трещин.

Размеры сферы разрушения изменяются пропорционально размерам заряда.

48

При наличии обнаженной поверхности частицы породы, находящиеся вблизи от этой поверхности, после прохождения волны сжатия не тормозятся сопротивлением внешних слоев породы. Кроме того, волна сжатия приводит к накоплению в породе некоторого запаса упругой энергии.

Поэтому, как только волна сжатия доходит до обнаженной поверхности, сжатая порода начинает свободно расширяться в сторону этой поверхности. Это движение передается более удаленным от поверхности слоям породы. Таким образом, внутрь породы от ее обнаженной поверхности распространяется волна на растяжения, вызывающая растягивающие напряжения. Отражение и превращение волны сжатия в волну растяжения происходит в основном по законам геометрической оптики. Волна разрежения (растяжения) представляет собой отраженную от обнаженной поверхности волну сжатия, которая распространяется так, как если бы она шла от мнимого изображения заряда (рис. 5.5), равного действительно взорвавшемуся

заряду и расположенного снаружи на таком расстоянии от обнаженной поверхности, на какое удален от нее взорвавшийся заряд.

Рис. 5.5 Отражение взрывных волн у обнаженной поверхности

1— фактический заряд, 2 — мнимый заряд, 3—прямые волны, 4 — отраженные волны

При этом основной объем породы разрушается под действием отраженных волн.

При взрыве в мягких породах (грунтах) вокруг заряда образуется котловая полость, которая быстро расширяется, и при достижении ударной волной обнаженной поверхности грунт поднимается с максимальной скоростью по направлению л. н. с. При недостаточной энергии происходит лишь приподнятие грунта без выброса (рис. 5.6).

49

Перемещение и деформации грунта определяются количеством движения, которое передается последнему при взрыве в виде им пульса. При этом допускается, что энергия, затрачиваемая на раз рушение, невелика по сравнению со всей энергией, выделяемой зарядом при взрыве, и с энергией выброса.

Масса грунта при взрыве движется по радиусам от центра заряда в виде отдельных элементарных конусов-секторов, находящихся во взаимодействии с окружающей породой. Это взаимодействие рассматривается как импульс, передаваемый боковой поверхности конуса движущимся внутри него грунтом./7/.

Рис. 5.6 Действие взрыва заряда в грунте по Г. И. Покровскому

Разрушение породы несколькими зарядами, взрываемыми одновременно

При взрыве нескольких зарядов одновременно, до момента встречи волн напряжения, среда вокруг каждого заряда ведет себя так же, как при взрыве одиночного заряда. В дальнейшем возникает сложное взаимодействие волн напряжений, распространяющихся от соседних зарядов, с заметной разницей в интенсивности дробления по линии, соединяющей заряды, и в направлении линии наименьшего сопротивления./4/.

При встрече волн напряжений от соседних зарядов напряженное состояние среды меняется.

На линии, соединяющей соседние заряды, действуют увеличенные по сравнению с одиночным взрыванием напряжения, что вызывает усиленное действие взрыва с образованием трещин. Это особенно проявляется при небольшом (0,6—0,8) коэффициенте сближения зарядов.

В глубине породного массива, между взрываемыми зарядами возникают зоны, где происходит взаимная компенсация напряжений, появляющихся в массиве от соседних зарядов, и общее ослабление напряженного состояния по сравнению с одиночным взрыванием. В этих зонах порода подвергается

50