Use of explosive energy in applying the shotcrete lining

<jats:p>The basic circuit design of erection of shotcrete lining in vertical excavations of round cross-section as well as  the calculation algorithm of key parameters of a way for the basic industrial explosives are considered. </jats:p>

section_content: Традиционные виды крепи (металлическая арочная, монолитная бетонная, металлобетонная, сборная железобетонная) являются весьма дорогостоящими и материалоемкими, требуют больших затрат ручного труда на возведение, плохо поддаются механизации. Кроме того, они не обеспечивают плотный контакт с породным массивом, не позволяют использовать несущую способность приконтурного слоя породы и выполняют лишь роль ограждающих конструкций. 

Применение новых инновационных решений является основными задачами научнотехнического прогресса не только в горном деле, но и во всех отраслях хозяйственной деятельности. Применение новых инновационных решений в горном деле при сооружении горных выработок способствует снижению стоимости добытого полезного ископаемого, а также повышению производительности труда. В частности это касается и возведения крепи горных выработок. 

В 80-90 гг. прошлого столетия рядом авторов был предложен способ, при котором жидкие покрытия наносятся на поверхности защищаемых объектов с помощью энергии взрыва [1, 2]. Предлагалось осуществлять способ при помощи различных средств: углубления в почве выработки, в котором располагался заряд и бетонная смесь; специальных сосудов (устройств) на рельсовом ходу; легкоразрушаемых сосудов. Наиболее простым в реализации оказался последний из перечисленных способов [3]. 

Сущность взрывного способа набрызгбетонирования состоит в том, что направленный поток цементно-песчаной (бетонной) смеси формируется путем её диспергирования из легкоразрушаемого (полиэтиленового) сосуда при помощи взрыва размещенного в нём центрального заряда взрывчатых веществ (ВВ) [4]. 

Основными преимуществами способа являются безлюдность, т. е. в момент нанесения смеси на поверхность выработки рабочие не находятся в загрязненном пространстве, что является неизбежным при сухом и мокром набрызгбетонировании механическими способами, и энергонезависимость. Областью применения способа являются стесненные, труднодоступные выработки. 

Целью данной работы является исследование влияния массы и класса взрывчатого вещества на эффективные параметры взрывного способа набрызгбетонирования. 

Методика исследований заключается в проверке и установлении параметров заряда ВВ (тип ВВ, масса патрона, количество патронов), а также необходимой массы смеси для нанесения слоя торкретбетона определенной толщины в выработке определенного радиуса, при которых не будет происходить «расслоение», а нанесение смеси производиться с минимальным отскоком. 

В работе [5] установлена величина удельного, относительно массы вещества, энергетического критерия, при котором не наблюдается расслоение многофазного потока цементнопесчаной смеси при возведении набрызгбетонной крепи взрывным способом. Этот показатель для цементно-песчаной смеси должен быть не более чем 9,2⋅10 8 кг⋅с -1/2 ⋅Дж 3/2 на каждый килограмм смеси. 

Схема размещения сосуда в вертикальной выработке с указанием основных пространственных параметров расширения дисперсной системы разрабатывается в зависимости от площади поперечного сечения вертикальной выработки, в которой могут применяться сосуды как малой, так и большой вместимости. Основным фактором, влияющим на величину потерь и качество нанесенной смеси, является скорость соударения частиц со стенками выработки. 

Оптимальная, с точки зрения минимизации потерь и максимизации прочности, скорость соударения частиц о стенки выработки для торкретбетонной смеси, согласно данным, полученным В. И. Шавриным [6] и Б. Т. Грязно-вым [7], равна 30…40 м/с. Для набрызгбетонной крепи оптимальная скорость значительно меньше из-за присутствия крупного заполнителя и составляет по экспериментальным данным Э. В. Казакевича [8] в среднем 6…16 м/с. 

Для определения массы смеси, необходимой для эффективного нанесения торкрета на стенки выработки радиусом R выр, при использовании определенного заряда ВВ необходимо, в первую очередь, определить приведенную эквивалентную массу смеси, которая может быть найдена путем решения следующей системы уравнений:

где V опт -оптимальная скорость соударения частиц о стенки выработки, м/с; R выр -радиус выработки, м; M fэ -эквивалентная масса распыляемой навески, приведенная к массе эталонной порошковой оболочки и распыляющего заряда ВВ, кг [5]. 

В результате воздействия ударной волны на твердый заполнитель при взрыве взрывчатого вещества, последний будет дополнительно измельчен. Поэтому в дальнейшем в расчетах будем использовать скоростные пределы соударения частиц о стенки выработки, характеризующие эффективное нанесение торкретбетона. 

Оптимальные параметры взрывного способа определяются по алгоритму (рис. 2). 

Входными данными являются:

масса заряда m зар ; теплота взрыва заряда Q зар ; скорость детонации заряда D зар ; длина заряда l зар ; радиус выработки R выр. 

Энергетический критерий f зар, приведенная масса M f, эквивалентная масса M fэ рассчитываются по формулам, описанным в [4, 5]. 

Применяя полученный алгоритм, на основании проведенных исследований динамики разлета цементно-песчаной смеси при центральном взрыве и условия формирования однородного многофазного потока, были построены графики зависимости необходимой массы смеси в устройстве для торкретирования взрывным способом при использовании определенного заряда, зависящего от радиуса выработки. 

Рис. 1. Блок-схема к определению эффективных параметров взрывного способа возведения набрызгбетонной крепи В качестве заряда рассматривались промышленные взрывчатые вещества II -VII классов различной массы:

1) аммонит скальный № 1 прессованный массой 0,4 и 0,8 кг (рис. 2);

2) аммонит 6ЖВ массой 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 кг (рис. 3);

3) аммонит Т19 массой 0,3; 0,6; 0,9; 1,2 кг (рис. 3); 4) угленит 13П массой 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 кг (рис. 5); 5) ионит массой 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 кг (рис. 6). Зная необходимую массу смеси и размеры выработки, можно определить толщину одного наносимого слоя h кр. 

Согласно исследованиям, проведенным Н. Р. Шевцовым и А. Б. Михайловым [3], облако взрыва имеет форму эллипсоида вращения, полученного вращением эллипса относительно малой оси. Причем малая ось эллипса в два раза меньше большой. Эллиптическая форма сечения облака взрыва описывается следующим уравнением:

или после преобразований:

Зная ширину обрабатываемой поверхности, массу распыляемой смеси и коэффициент потерь, можно посчитать среднюю толщину наносимого взрывным способом слоя торкретбетона по следующей зависимости:

где К П -коэффициент, учитывающий потери. Таким образом, в работе приведен алгоритм, позволяющий определять пространственно-временные параметры взрывного способа возведения набрызгбетонной крепи в вертикальных выработках круглого сечения. 

Для определения толщины наносимого за одно взрывание слоя необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования по установлению коэффициента потерь при возведении набрызгбетонной крепи взрывным способом.

section_name: БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

section_name: S. V. BORSHCHEVS'KYY, O. V. KHOMENCHUK, O. L. TYUT'KIN

section_content: The basic circuit design of erection of shotcrete lining in vertical excavations of round cross-section as well as the calculation algorithm of key parameters of a way for the basic industrial explosives are considered. 

Keywords: shotcrete, lining, vertical excavation
section_name: USE OF EXPLOSIVE ENERGY IN APPLYING THE SHOTCRETE LINING