Обобщающие взаимосвязи для дробления и трещинообразования горных пород взрывом

ВЗРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Крюков, И.И. Никандров,

Дрозд, 2000

YAK 622.235

Г.М. Крюков, И.И. Лрозл, В.И. Никанлров

ОБОБШАЮШИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ АЛЯ АРОБЛЕНИЯ И ТРЕШИНООБРАЗОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОА ВЗРЫВОМ

Взрывному разрушению горных пород посвящено большое количество работ, в которых рассматриваются различные аспекты этого процесса применительно к разным технологическим и техническим целям. Установлению закономерностей разрушения пород только при камуфлетном взрыве сосредоточенного заряда посвящены работы Ф.Н. Баума, О.Е. Власова, Р. Густафсона, С.С. Григоряна, Н.Н. Казакова У. Лонгефорса, П. Персона, Г.И. Покровского, М. А. Садовского,

Н.Н. Семенова, К.П. Станюковича, В.П. Тарасенко, А.Н. Ханукаева, Ю.Б. Харитона, К. Юхансона и многих других.

Одним из первых наиболее правдоподобную модель действия взрыва заряда на разрушаемую среду предложил Г.И. Покровский.

Успешная разработка этой модели, доведенная до квадратур, применительно к крупномасштабным взрывам была выполнена в ИФЗ группой возглавляемой В.Н. Родионовым в составе Адушкин В.В., Цветков В.М., Костюченко В.Н., Николаевский В.Н., Романов А.Н. под научным руководством М.А. Садовского [1.2]. В этих работах камуфлетный взрыв сосредоточенного заряда условно разделяется на четыре этапа. На первом по этой модели возможна сублимация твердого вещества пород, если давление Р0 в полости с продуктами детонации (ПД) превышает

0,1Е, где Е - модуль Юнга пород. На втором этапе по породе распространяется ударная волна большой амплитуды с радиальными сжимающими напряжениями (у1Г) большими, чем предел прочности пород на раздавливание (с*)так что ее передний фронт одновременно является и фронтом мелкодисперсного дробления пород. На

третьем этапе имеет место динамическое безволновое нагружение пород с формированием еще зон радиального трещино-образования и упругого деформирования. Наконец, на четвертом этапе имеет место распространение ПД по трещинам, существенное снижение давления в полости, формирование и распространение по массиву пород сейсмической волны.

Адаптация [3, 4] этого решения к взрывным процессам в горной промышленности не позволила получить удовлетворительные результаты практических задач, поскольку в этом случае не только всегда отсутствует первый этап действия взрыва на разрушаемую породу, но и мелкодисперсное дробление пород взрывной волной во время второго этапа бывает незначительным, а то и вовсе не наблюдается.

Выполненные в МГГУ и других организациях [5, 6, 7] оценки влияния динамичности нагружения пород на их поведение при одноосном сжатии со скоростями деформации Э > 10с" , позволили установить, что в этом случае породы деформируются хрупко без пластических деформаций, упругие характеристики - адиабатические, а в породах возникает новое явление- запаздывание процесса их разрушения. Оказывается, что при Э > 10с-1 при одноосном сжатии, породы способны "пропускать" через себя (т.е. не терять своей несущей способности, вследствие инерционности, запаздывания разрушения) напряжения в 3...5 раз и более превышающие их прочностные свойства. Соответствующая зависимость приведена в указанных выше работах.

Кроме того из теории упругости известно, что при распространении сферических и цилиндрических волн на их переднем фронте все напряжения хоть несколько и отличаются друг от друга по величине, но все они сжимающие и ни по каким критериям разрушение пород на фронте взрывной волны в виде мелкодисперсного дробления или формирования магистральных трещин происходить не может.

Учитывая оба эти обстоятельства в [8] показано применительно к процессам разрушения горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ, что в этом случае в самом начале действия взры-

ва процесс разрушения пород в виде радиальных трещин (фронт разрушения) отстает от переднего фронта взрывной волны на 10...20 см, то есть запаздывает на 20.40 мкс и более. При этом за фронтом взрывной волны в породе перед фронтом разрушения успевает сформироваться квази-статическое напряженно-деформированное состояние, под действием которого и происходит формирование и развитие радиальных трещин. Причем, если в зоне радиальных трещин радиальные сжимающие напряжения (сгг) окажутся больше (с*), то возникает и явление мелкодисперсного дробления пород.

По мере распространения взрывной волны по массиву расстояние между этими фронтами и время запаздывания разрушения увеличиваются. В результате для радиусов зон регулируемого

дробления пород Ьо и мелкодисперсного дробления Ь^ были получены оценки:

Ь* = 0,51о 3

3

Ьо = 050 3

V

р

о

2с

раз

Рл

2с

рас

-- для взрыва сосредоточенного заряда и

о

г

І

р

о

2с

раз

Ьо = 0,51о

І

р

2с

рас

-- для взрыва удлиненного заряда, где С раз = С% - предел прочности пород на

раздавливание и рассчитывается по формуле:

1+0,079Г /-15'] + 0,0019Г /—15')2 108, Па

с раз 13

где f - крепость пород по М.М. Протодьяконо-

ву; с

рас

предел прочности пород на одно-

осное растяжение, Па; d - диаметр зарядов, м.

Попытки использовать (2) и (3) к оценке зон разрушения при ведении буровзрывных работ проводились неоднократно, однако, ни имея теоретического и физического обоснования и достоверной оценки С# не получили широкого признания. Представленная в (8) физическая интерпретация - уточненная модель действия взрыва, впервые дала физическое обоснование соотношений (1)...(3). Встала задача дать их математическое обоснование. Это обоснование дается ниже, причем пунктом а. расчет будет выполняться для сосредоточенного заряда, а пунктом б. - для удлиненного:

1. Многочисленные опытные, лабораторные и опытно-промышленные исследования, а так же каждодневные результаты взрывных работ на многочисленных горных предприятиях подтверждают достоверность основного принципа расчетов зарядов ВВ:

М=дУ

где М - масса заряда, кг; V - объем разрушаемой породы, м3; д - удельный расход данного ВВ, кг/м3.

2. Объем разрушаемой породы равен:

4 3 3

а). Г = 3 ПК, м; Г -пЬ01 зар ,

где Ьо - радиус зоны регулируемого дробления, м; I зар — длина удлиненного заряда, м.

3. Масса зарядов равна:

а). М= П d 3Л , кг;

6

б). М=—d2/зарЛ, кг

4

где d — радиус сферической или цилиндрической полости в которой размещен заряд, м; Л

— плотность заряжания, кг/м3.

4. В силу сферической или цилиндрической симметрии для радиальных сжимающих напряжений имеет место распределение напряжений вида:

0,51

г

и для азимутальных:

с„

= -Хс г

где п - пока неизвестный показатель; л - некоторое число, зависящее от формы заряда.

При любом критерии прочности С  из (9) и (10) следует, что величина соответствующего напряжения (растяжения, сдвига, интенсивности напряжений и т.д.) будет убывать с удалением от заряда по закону

I = а

тр

С = Р0

0Ы

5. Сопоставляя (5) и (6) с (11) получаем, что при взрыве сосредоточенного заряда показатель п равен 3 и при взрыве удлиненного заряда п=2, значит, справедливы соотношения (1) для взрыва сосредоточенного заряда и (2) - для удлиненного заряда.

6. Как известно, давление

р атГ О

Р =—0—

0 С>273

Следовательно, при взрыве сосредоточенных зарядов радиус зоны регулируемого дробления Ь0 (см. (1)) с изменением (Рвзр.) изменяется пропорционально ^Озр , а при взрыве удлиненных зарядов - пропорционально ^Овзр . Таким образом

сопоставляя эти выводы с (4) можно утверждать, что с увеличением QвЗp для достижения заданной степени дробления пород удельный расход и масса зарядов. будет убывать как Qвзp."1.

Применяя принцип суперпозиций решений и, пренебрегая влиянием полостей на характер распределения напряжений при одновременном взрыве двух удлиненных зарядов из (5) следует, что формирование общей трещины по плоскости расположения зарядов будет иметь место при расстоянии (а) между

зарядами равном 2-^2Ь0 . Аналогичным образом, если W - глубина заложения зарядов, будет больше л/2Ь0, то при одиночном взрыве удлиненного заряда интенсивность трещинообразования в сторону, противоположную свободной поверхности, будет таким же, как и при его камуфлетном взрыве.

Наконец, из полученных результатов следует, что при одновременном камуфлетном взрыве нескольких зарядов, расположенных в одной плоскости, при а< 2Т2Ь0 длина трещин для данного

заряда за счет взаимного влияния взрыва соседних зарядов будет уменьшаться по закону

^(ср + 0,5Г_/ — 0,16Ср2 г2

м;

Здесь принято, что трещина при взрыве заряда распространяется со скоростью 0,4Ср, при этом Ср - скорость продольной волны в породе; V,« -массовая скорость частиц на границе ВВ -- порода в начальный момент взрыва; т1 = 1тр / 0,4Ср --

время прорастания трещины; т2 =

Г, 2 + 2

У'тр + а Ср + 0,5ГМ.Ч

время прихода взрывной волны от соседнего заряда в вершину развивающейся трещины от действия данного заряда; 1 = т1 / т2.

Для проверки всех изложенных выше положений были проведены на кафедре РПР МГГУ несколько циклов экспериментальных исследований. В качестве ВВ использовались пиротехнические средства (ПС) с теплотой взрывчатого превращения Qвзp=2514 кДж/кг; 3771 кДж/кг и 5028 кДж/кг. Испытания проводились в основном на блоках органического стекла размерами 95х140х213 мм. Длина шпура составляла 70 мм, диаметр - 3 мм, длина заряда - 45 мм, масса -300 мг.

В этих опытах была получена удовлетворительная сходимость результатов, их хорошая повторяемость и практически полностью подтвердились все изложенные выше теоретические оценки.

Установлено, что при камуфлетном взрыве около зарядов формируются системы радиальных трещин средней длиной Ь . При повторных опытах средние значения Ь0 отличались не более чем на 3%, а коэффициент вариации при каждом взрыве имел значения 0,20.0,25:

• Если расстояние от заряда до свободной поверхности было менее 3 Ь0, то формировались отдельные магистральные трещины 1. 3 шт. средней длины примерно 2,5 Ь0 .

• Если расстояние (а) между соседними зарядами было больше 2^2Ь0, то при их одновременном взрыве взаимное влияние на процесс разрушения (трещинообразования) не наблюдалось.

Если расстояние (а) между соседними зарядами было меньше 272Ь0, то при их одновременном взрыве имело место резкое снижение числа и длины трещин в соответствии с (13), причем коэффициент Ъ имеет значение порядка 1,2.

п

г

• Если W больше 42.Ьй , то влияние свободной поверхности на процесс трещинообразования в сторону, обратную свободной поверхности, не наблюдался.

Вывод

Приведенные результаты исследования позволяют ясно представить физическую картину раз-

рушения пород взрывом зарядов промышленных ВВ и разрабатывать методики рационального ведения буровзрывных работ (БВР):

1. Взрывного рыхления пород.

2. Контурного взрывания.

3. Строительство выемок и т. д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по буровзрывным работам на карьерах. -Наукова думка, 1973, 440 с.

2. Нормативный справочник по буровзрывным работам.-М.: Наука, 1986 - 511 с.

3. Крюков Г. И., Косаргин А.П. Закономерности формирования зон мелкодисперсного дробления и радиального трещинооб-разования при камуфлетном взрыве сосредоточенного заряда в ква-

зиоднородной среде. Сборник

«Взрывное дело» № 91/48, М.: МВК по взрывному делу при Академии Горных Наук, 1998, с. 7581.

Крюков Георгий Михайлович профессор, доктор технических наук. Московский государственный горный университет.

Дрозд Иван Иванович - Военно-инженерный университет.

Никандров Владимир Иванович - кандидат технических наук, Кос-тамушский ГОК.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

КРЮКОВ_2

в:\С диска по работе в универе\01ЛВ_20\01ЛВ12_0\МЛСБТ С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго8ой\ШаблоныШогта1Ло1т Обобщающие взаимосвязи для разрушения горных пород взрывом

Гитис Л.Х.

27.11.2000 13:30:00

11

10.12.2008 23:30:00 Таня

36 мин.

11.12.2008 0:06:00

4

1 815

10 352