Влияние газодинамических процессов в шпуре на выбор параметров БВР при взрывной отбойке камнеблоков

© М.Г. Менжулин, Л.Н. Шишов, 2003

УЛК 622.235.4

М.Г. Менжулин, Л.Н. Шишов

ВЛИЯНИЕ ГЛЗОЛИНЛМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ШПУРЕ НЛ ВЫБОР ПЛРЛМЕТРОВ БВР ПРИ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКЕ КЛМНЕБЛОКОВ*

Разрабатываемый авторами на протяжении ряда лет подход к описанию и расчету параметров БВР при взрывной отбойке блочного камня из крепких горных пород основан на последовательном применении принципа расщепления по физическим процессам, когда физические процессы группируются по одному или несколько в последовательность этапов. Для решения задачи каждого из выделенных этапов могут приме -няться свои методы - аналитические, численные и экспериментальные. В настоящее время рассматриваются следующие методы расчета параметров БВР, определяемые вариантами расщепления по физическим процессам и соответствующими методами расчета физических процессов.

1. Энергетический метод [1]. В этом методе в первый этап включается лишь процесс выделения энергии в заряде. Во второй этап объединяются газодинамические процессы в шпуре, процессы распространения и взаимодействия волн напряжений и процессы трещинообразо-вания, включая процесс прорастания магистральной трещины. В третий этап выделяется процесс сдвига блока. В этом методе для второго этапа используется экспериментальное решение, в частности в виде обобщенных экспериментальных зависимостей по удельным энергетическим затратам, для формирования магистральной трещины, а для третьего физические оценки в сочетании с некоторыми экспериментальными данными. Этот метод хорошо зарекомендовал себя на практике, он позволяет рассчитывать

зарядные таблицы, но требует увеличения объема экспериментальных работ при переходе к породам с другими механическими и термокинетическими свойствами, и, особенно, при переходе к другим конструкциям зарядов и составам ВВ. По существу в упрощенных вариантах метод остается основным при практическом расчете параметров БВР.

2. Метод гидродинамических нагрузок [2, 3]. В этом методе в первый этап включаются процессы выделения энергии в заряде, газодинамические процессы в шпуре и процесс истечения газов через устье шпура. Эти процессы могут быть описаны в единой физико-математической постановке в гидродинамическом приближении. Решение такой задачи осуществляется путем численного моделирования. Во второй этап объединяются процессы распространения и взаимодействия волн напряжений и процессы трещинообразования, включая процесс прорастания магистральной трещины.

В третий этап выделяется процесс сдвига блока. В этом случае для второго этапа используется приближенное решение с привлечением экспериментальных данных, а для третьего, как и в случае энергетического метода, физические оценки в сочетании с некоторыми экспериментальными данными.

Этот метод, также как и метод последовательных расчетов, позволяет по характеру нагружения стенок шпура сравнивать различные по конструкции и составу ВВ заряды, так как решение гидродинамического этапа содержит распределения давления, плотности, скорости и энер-

гии по всему объему шпура и на его стенке в каждый момент времени от начала детонации (взрывного горения ВВ) до конца процессов.

3. Метод последовательных расчетов [4]. В этом методе, также как и в случае метода гидродинамических нагрузок, в первый этап включаются процессы выделения энергии в заряде, газодинамические процессы в шпуре и процесс истечения газов через устье шпура. Во второй этап включаются процессы распространения и взаимодействия волн напряжений.

В третий этап выделяются и процессы трещинообразования и процесс прорастания магистральной трещины. В четвертый этап, также как и в предыдущих методах, выделяется процесс сдвига блока. В этом случае гидродинамический этап идентичен случаю метода гидродинамических нагрузок. В настоящее время для решения задачи второго этапа о полях напряжений отработан и используется специально разработанный приближенный метод учета влияния диссипации энергии на параметры волн напряжений, и ведутся работы по использованию метода численного моделирования.

Для решения задачи этапа трещинообразования используется численное моделирование в сочетании с аналитическими расчетами и привлечением экспериментальных данных по микротрещиноватости образцов породы. Этот метод является наиболее трудоемким с точки зрения проведения расчетов, но позволяет полностью представить особенности развития всех физических процессов и сократить до минимума количество экспериментальных взрывов на карьере.

Достаточно краткий анализ последовательности явлений при взрывной отбойке блочного камня [2] показывает, что газодинамические процессы в шпуре при взрыве заряда ВВ формируют источник нагружения горной породы, под воздействием которого в дальнейшем развиваются процессы распространения волн на-

*Работа выполнена при поддержке РФФИ: грант 01-05-64893

1.1 = 0.05 мс 1

3. = 0.1 мс 1

7

.

3/" /У

100 •

50 -

1. 2. = 0.2 = 0.33 7мс 2мс Л

1 /

/

2

/ 7

!

1Л= 0.44 _ 1л= 0.55 ЗЛ=0.84 ,\Л = 1.17 мс —л

мс мс / —

мс 2

х

3

4

02 04 06

1 12 1.4 16 Ь,м

0.2 0.4 0.6

1 1.2 1.4 1.6 Ь,м

0 2 0 4 Об 0.8

1 12 14

1 6 Ь,м

Рис.1. Распределения давления на стенке шпура в случае взрыва заряда ДВП

пряжений и разрежения в породном массиве, формирования микротрещиноватости, прорастания магистральной трещины, и в конечном итоге, отделения блока от массива. В зависимости от состава ВВ и конструкции заряда эти источники могут быть весьма различными. Можно выделить два основных типа источников, которым отвечают качественно различные механизмы формирования магистральной трещины. Среди реально существующих и применяемых на практике зарядов для отбойки блочного камня эти источники наиболее полным образом формируют соответственно сосредоточенный заряд дымного взрывного пороха (ДВП) и заряд, состоящий из нескольких ниток детонирующего шнура (ДШ). Заряд ДВП обеспечивая высокие нагрузки на стенки в начальные моменты времени и весьма невысокую скорость нагружения стенок шпура, моделирует сосредоточенный источник нагружения. Заряд, состоящий из нескольких ниток ДШ, обеспечивая наибольшую скорость нагружения стенок шпура и относительно небольшие пиковые нагрузки на стенки, моделирует равномерно распределенный источник. Источники нагружения, формируемые другими составами и конструкциями зарядов ВВ, качественно рассматривать как некую комбинацию первых.

Рассмотрим газодинамические процессы в шпуре для этих случаев. Для этого используем подход численного моделирования, достаточно подробно описанный в работах [2, 5]. Детона-циионные и газодинамические процессы в шпуре описываются полной системой уравнений Эй-

лера и замыкаются уравнением состояния ВВ и воздуха. Решение состоит в последовательности шагов по времени, на каждом из которых определены давление, плотность, составляющие скорости и энергия во всем расчетном поле.

Для определенности будем рассматривать отбойку блока из породы типа гранита с параметрами рп = 2.72 г/см3, Ср = 5100 м/с, V = 0.3, при высоте блока Н = 2.0 м, ширине захвата В = 2.0 м, длине шпура Ь = 1.8 м, (при не-добуре Ь = 0.2 м, т.е. Ь/Н = 0.1), диаметре шпура ^п = 32 мм, при расстоянии между шпурами а = 0.25 м, что соответствует условиям карьера Бородинское. Будем полагать идеальные условия для блока, т.е. свободные фланги, отсутствие зажима и наличие постельной трещины.

Рассмотрим вначале сосредоточенный источник нагружения. В этом случае заряд ДВП располагается на дне шпура (сплошное заряжание). Для указанных условий из эксперимента (карьер Бородинское) известна величина заряда, приводящая к отделению блока, которая составляет тзар дВП = 0.1 кг. На рис. 1. представлены рассчитанные распределения давления на стенке шпура в последовательные моменты времени.

При сгорании порохового заряда давления в его объеме и на примыкающей части стенки шпура достигают очень больших значений, превышающих 2-103 МПа. После окончания горения по объему шпура распространяется воздушная ударная волна, генерирующая на стенке шпура давления Рст ~ 22 МПа. Расширение продуктов горения ДВП приводит к вначале к довольно бы-

строму спаду давления в первоначальном объеме заряда до значений Рст ~ 300 МПа за промежуток времени М ~ 2-10-4 с, а затем ко времени достижения ударной волной устья шпура давление в нижней половине шпура выравнивается и составляет Рст ~ 50 МПа. В дальнейшем давление быстро выравнивается по длине шпура и падает по величине.

Время воздействия высоких давлений невелико, но сформированная ими волна напряжений в породе приводит к прорастанию магистральной трещины между шпурами на уровне зарядов. Оценки показывают, что прорастание магистральной трещины может произойти уже через М ~ 1.5-10-4 с. т.е. существенно раньше, чем ударная волна распространяется до устья шпура, поскольку скорость распространения волны по шпуру сравнима со скоростью распространения трещины в крепких горных породах. Продукты взрыва проникают в образовавшуюся часть магистральной трещины, образуя как бы "газовый клин", раскалывающий блок. Нагруженные на квазистатической стадии шпуры выполняют уже роль концентраторов напряжений, направляющих для роста магистральной трещины до дневной поверхности. Иногда такой механизм раскола называют «эффектом лучины». Это хорошо объясняет появление большого количества заколов при использовании зарядов ДВП.

Рассмотрим равномернорас-пределенный источник, моделируемый зарядом, состоящим из нескольких ниток ДШ. В соответствии с обобщенными экспери-

ментальными зависимостями по удельным энергетическим затратам, для формирования магистральной трещины в указанных выше условиях требуется заряд, состоящий из п = 2.57 ниток ДШ. Практически применяемая конструкция такого заряда представляет собой две нитки ДШ на всей длине шпура, и отрезок третьей нитки ДШ длиной Ь =

1.03 м примыкающей ко дну шпура. Отметим, что такой заряд равен по полной энергии к рассмотренному выше заряду ДВП. Рассчитанные распределения давления на стенке шпура в последовательные моменты времени представлены на рис. 2.

Распространяющаяся по заряду детонационная волна, преломляется в воздушный кольцевой зазор в виде ударной волны. При падении этой ударной волны на стенку шпура, давления достигают значений Рст ~ 40 МПа на участке двух ниток ДШ и Рст ~ 60 МПа на участке трех ниток ДШ, в течении Дt -10-5 с. Поскольку время их воздействия на стенку более чем на порядок меньшего характерного времени нарастания радиальных напряжений в волне сжатия в горной породе, эти пиковые нагрузки определяют разрушение породы типа незначительного пожога лишь на поверхности шпура. Последующие пиковые нагрузки на стенку меньшей амплитуды определяются распространением отраженных волн в кольцевом воздушном зазоре между стенкой шпура и зарядом.

Распространение волн напряжений в породе и ее разрушение определяются более длительными нагрузками на стенке. На этапе распространения детонационной волны эти нагрузки составляют

Рст ~ 21 МПа, на участке двух ниток ДШ при времени воздействия Дt - 1.5-10-4 с, что сравнимо с характерным временем нарастания радиальных напряжений в волне сжатия в горной породе, и Рст ~ 33 МПа, на участке трех ниток ДШ. Под их воздействием начинается формирование волн напряжений в горной породе. После достижения детонационной волной конца заряда и отражения ее от дна шпура в виде ударной волны, среднее давление на стенке шпура за этой отраженной ударной волной вырастает до величины Рст ~ 40 МПа, и остается постоянным вплоть до моментов времени, пока не начнется взаимодействие указанной отраженной волны и волны разрежения, вызванной истечением воздуха и продуктов детонации через устье шпура. Время воздействия таких нагрузок составляет уже Дt -0.5-10-3 с, и именно эти нагрузки являются определяющими при формировании волн напряжений в породе, под действием последних начинает развиваться микротрещиноватость, приводящая к прорастанию магистральной трещины. Полученное распределение нагрузок позволяет предположить, что процесс формирования волны напряжений в породе с интенсивностью достаточной для разрушения и, соответственно, процесс интенсивного образования микротрещин начинается на расстоянии не менее 0.5 м от устья шпура и распространяется ко дну шпура. Начала же прорастания магистральной

Рис. 3. Зависимости среднего давления на стенках шпуров различной длины от времени для эквивалентных зарядов, состоящих из нескольких ниток ДШ

Рис. 2. Распределения давления на стенке шпура в случае взрыва заряда ДШ п = 2.57

трещины в соответствии с анализом [6] следует ожидать в области распространения волн напряжений максимальной интенсивности, то есть в зоне, примыкающей ко дну шпура. Отметим, что для анализа картины формирования магистральной трещины должна решаться задача взаимодействия волн напряжений от соседних шпуров и отраженной от свободной поверхности блока волны. После достижения отраженной от дна шпура волной устья шпура, волновые процессы в объеме шпура затухают, распределение давления на стенке выравнивается по длине шпура, а величина среднего давления на стенке шпура постепенно снижается.

Отметим, что при отбойке блочного камня требуется минимизировать количество наведенной взрывом микротрещиноватости в породе. Для этого величина заряда создающего равномерно-распределенный источник нагружения выбирается таким образом, чтобы поле растягивающих напряжений в плоскости откола, создаваемых прямой волной напряжений не превышало прочности породы на отрыв и не вызывало прорастание магистральной трещины, а ее прорастание начиналось бы только с приходом волны разрежения, отраженной от фронтальной поверхности отбиваемого блока. Такой заряд с точки зрения удельных энергетических затрат является минимальным зарядом, гаранти-

РсрГед,МПа

1. Ьщп= 1.2 1 м, 1.87 нитки ДШ;

2. Ьшп=1.8 м, 2.57 нитки ДШ;

3. Ьшп= 2.4 и ДШ;

\,1 V \ \

V \

0 5 1 1 5 2 2 5 1,нс

рующим прорастание магистральной трещины.

При изменении высоты блока и, соответственно длины шпура в соответствии с обобщенными экспериментальными зависимостями по удельным энергетическим затратам, для формирования магистральной трещины при длине шпура Ь = 1.2 м требуется заряд, состоящий из п = 2.87 ниток ДШ, а при длине шпура Ь = 2.4 м требуется заряд, состоящий из п = 2.40 ниток ДШ. Такие заряды будем называть эквивалентными. Для этих зарядов основные качественные закономерности развития волновых процессов в шпуре сохраняются.

Зависимости среднего давления на стенках шпуров различной длины от времени для эквивалентных зарядов, состоящих из нескольких ниток ДШ, приведены на рис. 3. Зависимости наглядно иллюстрируют природу эквивалентных зарядов, когда при уменьшении длины шпура увеличивается скорость спада среднего давления при увеличении начального среднего давления на стенке шпура, повышающее средние по времени нагрузки, приводящие к началу прорастания магистральной трещины. Другими словами эти графики наглядно иллюстрируют хорошо

известную из практики особенность взрывания коротких шпуров, когда с уменьшением длины шпура приходится увеличивать относительную величину заряда для предотвращения прострела.

Введем характерное время до начала прорастания магистральной трещины, определив его как сумму времен детонации всего заряда и прихода отраженной от свободной поверхности волны разрежения в плоскость раскола. В случае Ь = 1.8 м оно составляет Ь = 1.0 мс. Как видно их рис. 2. за это характерное время развиваются основные процессы нагружения массива.

Среднее по времени давление на стенке шпура в промежутке времени от окончания детонации до прихода отраженной от свободной поверхности волны составляет Р^р = 18.5 МПа. При Ь = 1.2 м, Ь = 0.9 мс, Р^р = 18.0 МПа, а при Ь = 2.4 м, Ь = 1.1 мс, Р^р =

18.3 МПа. Соответствующие растягивающие напряжения в породе у стенки шпура при этом составляют Ораст = 12.5 МПа, что коррелирует с пределом прочности породы на отрыв [Оотр] =

10.7±2.5 МПа, определенную экспериментально для рассматриваемых гранитов Бородинского месторождения.

Таким образом, получаем еще одну особенность зквивалентных зарядов состоящую в том, что средние по времени нагрузки, рассчитанные для промежутка времени от окончания детонации до прихода отраженной от свободной поверхности волны в плоскость отрыва блока, где начинается прорастание магистральной трещины, примерно равны при изменении длины шпура и при неизменных прочих параметрах.

Отсюда следует, что для энергетического метода расчета физических процессов, протекающих при отбойке блочного камня

и, соответственно, параметров БВР, мы получаем возможность теоретического обоснования зависимости удельных энергетических затрат на формирование магистральной трещины по одному из ее аргументов, а именно по длине шпура. Кроме того, получив в ограниченном количестве экспериментов средние удельные энергетические затраты, приводящие к формированию магистральной трещины, мы получаем возможность строить теоретически эту зависимость для различных конструкций зарядов и составов ВВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Менжулин М.Г., Шишов A.H., Здитовецкий A.B., и др. Метод расчета параметров отделения камнеблоков из крепких горных пород зарядами низкобризантных ВВ//Горный журнал. - 1994. - №1. - с. 28-30.

2. Менжулин М.Г., Парамонов Г.П., Шишов A.H. Метод расчета параметров волн напряжения и диссипации энергии в области разрушения горных пород при взрыве удлиненных зарядов различных составов и конструкций/Наука в СПГГИ, вып.3 СПб.: СПГГИ, 1998. - с. 205219.

3. Менжулин М.Г., Шишов A.H., Парамонов Г.П. Метод расчета параметров волны напряжений в горных породах при взрыве удлиненных зарядов с учетом диссипации энер-

гии/Труды конференции «Неделя горняка». - М.: Изд-во МГГУ, 1998. ГИАБ. - 1999.-№1. - с. 217-220.

4. Менжулин М.Г., Шишов А.Н., Серышев С.В. Термокинетическая модель разрушения горных пород и особенности ее численной реализации. Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений. - СПб.: ВНИМИ, 1995. - с. 59-65.

5. Шишов АН. Численное моделирование газодинамических процессов в шпуре при взрывах зарядов ВВ различных составов. Труды Х1-й Российской конференции по механике горных пород. - СПб.,1997. - с. 511-516.

6. Нефедов М.А. Направленное разрушение горных пород взрывом. - СПб.: изд. СПб университета, 1992, - 183 с.

КОРОТКО ОБ ЛВТОРЛХ -----------------------------------------------------------------------------

МенжулинМ.Г., Шишов А.Н. - Санкт - Петербургский Государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет).

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

раметров БВР Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 10 мин.

Дата печати: 09.11.2008 17:26:00

При последней печати страниц: 4

слов: 2 662

знаков: 15 180

МЕНЖУЛИН

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB10~03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do Влияние газодинамических процессов в шпуре на выбор па-

о.Алексей

14.08.2003 12:26:00 4

14.08.2003 12:32:00 Гитис Л.Х.