Влияние скорости ветра и температуры воздуха на степень воздействия ударных воздушных волн при взрывах скальных горных пород на угольных карьерах Вьетнама

© Чан Куанг Хису, В.А. Бслин, 2013

УДК 622.026.5

Чан Куанг Хиеу, В.А. Белин

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА СТЕПЕНЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЗДУШНЫХ ВОЛН ПРИ ВЗРЫВАХ СКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА УГОЛЬНЫХ КАРЬЕРАХ ВЬЕТНАМА

Рассмотрены инженерно-геологические и горнотехнические условия действующих и проектируемых угольных карьеров Вьетнама; совершенствование методов управления энергией взрыва, позволяющих без увеличения энергозатрат достигать требуемой степени дробления пород с одновременным снижением влияния УВВ на окружающую среду, обеспечивающих уменьшение опасной зоны взрыва. Рассматриваемые вопросы являются весьма актуальной научно-практической задачей в условиях Вьетнама.

Ключевые слова: ударные воздушные волны (УВВ), открытая разработка месторождений, угольный разрез, буровзрывные работы, параметры БВР, Вьетнам.

Ударные воздушные волны (УВВ), как и сейсмические колебания грунта и разлет кусков, являются нежелательным побочными эффектами при производстве взрывных работ. Крупномасштабные взрывы на открытых горных работах в карьерах и разрезах приводят к возникновению весьма ощутимых по интенсивности УВВ на больших расстояниях от места взрыва, особенно в тех случаях, когда метеоусловия и рельеф местности способствуют их распространению.

Интенсивность УВВ зависит от эффективности использования энергии ВВ на полезные формы работы и определяется долей энергии взрыва, перешедшей вместе с продуктами детонации в воздушное пространство карьера, и зависит от характера распространения УВВ над поверхностью земли, что характеризуется состоянием атмосферы: плотности, температуры, давления и влажности воздуха, скорости ветра. Как показывает тео-

рия и практика, начиная с определенных расстояний, погодные условия влияют на интенсивность слабых УВВ. Чтобы правильно прогнозировать опасность повреждения сооружения от действия УВВ, необходимо учитывать атмосферные условия во время производства взрывных работ [1].

Карьер «Нуй Бео» расположен на севере Куанг Нинг - Вьетнам края.

Глубина карьера достигает более -130 м, а откосы уступов представляют собой крутые склоны с углом наклона до 70° в средней и нижней частях и с углом наклона 50-60° в верхней части. Высота бортов карьера в предельном положении достигает 10-20 м [2].

Вблизи места производства взрывных работ на северо-западном участке карьера "Нуй Бео" на расстояниях 100^500 м расположены жилые дома и другие объекты. Обеспечение сохранности этих комплексов при проведении БВР было одной из наиболее сложных задач сохранения добычи угля на карьерах Вьетнама.

В связи с этим в данной работе проводятся экспериментально-

расчетные исследования по определению безопасных параметров УВВ на элементах зданий, жилых домов и других объектов на пути распространения волн при производстве массовых взрывов в весенне-летний и осенне-зимний периоды с учетом климатических условий Вьетнама.

Были осуществлены натурные замеры параметров волн на исследуемых объектах в период с 18.07.07г. по 27.07.07г. с учетом расстояния от площадки взрыва ВВ до места измерения [2].

Как известно [1, 3], интенсивность УВВ (АР^ зависит от приведенного расстояния Я = Я (м/кг / ), где К

- расстояние от места взрыва до точки измерения (в метрах), О - мощность взрыва для группы, кг.

Результаты натуральных измерений избыточных давлений АР/ УВВ, при проведении БВР на угольных карьерах "Нуй Бео" в летнее и зимнее время 2007 г., представленые в виде

кривой в координатах (АР/, Я) на рис. 1, рассчитывались для условия проведения БВР при стандартной атмосфере (Ратм= 760 мм.рт.ст., 1= 25 °С) и в пересчете на тротиловый эквивалент ВВ.

Анализ и обобщение этих экспериментальных результатов показывают, что величины избыточного давления подчиняются закону:

А Р{ = 0,0116Я4'4 кг/см2

при 7 м/кг1/3< Я < 50 м/кг1/3 (1) При этом формула (1) соответствует диапазону изменения избыточного давления 20< АР() < 90 Па.

Тогда из (1) при АР = АР/пор можно получить следующие зависимости величин мощности подрываемого заряда в зависимости от расстояния:

^пар

(АР,

Гппар

V

к 0,0116 ,

Я3

при 90 > АР): пор> 20 Па

Отметим, что учет реальных условий проведения БВР приводит к существенному изменению величины избыточного давления АР/ на фронте воздушной волны взрывов. К ним в частности относятся климатические условия местности, наличие ветровых порывов в атмосфере, неоднородности воздушного пространства (градиенты температуры и скорости ветра по высоте атмосферы) и т.д.

Если погодные условия резко отличаются от условий стандартной атмосферы и для производства взрыва используются отличные от тротила ВВ, то расчеты интенсивности УВВ, в соответствии с методиками [5, 6] и с учетом (2), проводятся по следующим формулам:

АРЭ = 0,0П6Я~1'4(Шилр)1/6 х

х( Р / Рт У'

1/3

Рис. 1. Величина избыточного давления мости от приведенного расстояния

в зависи-

при 7 м/кг1/3< Я <50 м/кг

- где и - удельная энергия взрыва используемого ВВ, итр- удельная энергия взрыва тротила, Р= рКТ-

ЛИ«Ы.0 JM'Jü,,ö

К, м

К, м

Б, м

Рис. 2. Пороговые значения допустимой мощности заряда С?Пор* кг, в зависимости от расстояния К

Пороговые значения допустимой мощности заряда ()пор, кг, в зависимости от расстояния К, м, при АР/„ор = 90 Па при различных погодных условиях во Вьетнаме

Т= 10°С, а- 337,5 м/с И 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

и= 7 м/с Qпop 327 2.620 8.842 20.958 40.934 70.734 112.322 167.665 238.726 327.471

и= 9 м/с Qпop 219 1.750 5.905 13.997 27.338 47.241 75.017 111.978 159.438 218.708

и= 11 м/с Qпop 71 567 1.914 4.536 8.860 15.310 24.312 36.291 51.672 70.880

и= 14 м/с Qпop 0,6 4,5 15 36 71 122 194 290 413 566

Т= 15°С, а- 340,5 м/с И 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

и= 7 м/с Qпop 331 2.645 8.928 21.164 41.335 71.427 113.423 169.308 241.066 330.680

и= 9 м/с Qпop 223 1.784 6.021 14.272 27.875 48.168 76.490 114.177 162.568 223.002

и= 11 м/с Qпop 75 601 2.028 4.808 9.390 16.226 25.767 38.463 54.764 75.122

и= 14 м/с Qпop 1,2 9,5 32 76 149 257 408 609 868 1.190

Т= 20°С, а- 343,4 м/с И 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

и= 7 м/с Qпop 334 2.670 9.012 21.363 41.724 72.100 114.492 170.904 243.337 333.796

и= 9 м/с Qпop 227 1.818 6.134 14.540 28.399 49.073 77.927 116.322 165.622 227.191

и= 11 м/с Qпop 79 635 2.142 5.078 9.918 17.138 27.215 40.624 57.842 79.345

и= 14 м/с Qпop 2,0 16,2 55 130 254 438 696 1.039 1.479 2.029

Т= 25°С, а- 346,4 м/с И 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

и= 7 м/с Qпop 337 2.695 9.094 21.557 42.103 72.754 115.530 172.453 245.543 336.822

и= 9 м/с Qпop 231 1.850 6.245 14.802 28.910 49.956 79.329 118.415 168.602 231.279

и= 11 м/с Qпop 84 668 2.256 5.347 10.443 18.045 28.655 42.773 60.902 83.541

и= 14 м/с Qпop 3,1 24,5 83 196 383 662 1.052 1.570 2.235 3.066

Т= 30°С, а- 349,3 м/с R 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

и= 7 м/с Qnop 340 2.718 9.174 21.745 42.470 73.389 116.538 173.958 247.686 339.762

и= 9 м/с Qnop 235 1.882 6.352 15.057 29.409 50.818 80.697 120.458 171.511 235.269

и= 11 м/с Qnop 88 702 2.368 5.613 10.964 18.945 30.084 44.907 63.940 87.709

и= 14 м/с Qnop 4,3 34 116 274 536 926 1.471 2.195 3.126 4.288

Т= 35°С, а- 352,1 м/с R 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

u= 7 м/с Qnop 343 2.741 9.251 21.928 42.827 74.006 117.518 175.421 249.769 342.619

u= 9 м/с Qnop 239 1.913 6.457 15.306 29.895 51.659 82.033 122.452 174.350 239.164

u= 11 м/с Qnop 92 735 2.480 5.878 11.481 19.838 31.503 47.024 66.954 91.844

u= 14 м/с Qnop 5,7 45 153 363 710 1.226 1.948 2.907 4.139 5.678

Т= 40°С, а- 355 м/с R 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

и= 7 м/с Qnop 345 2.763 9.326 22.105 43.175 74.606 118.471 176.843 251.794 345.397

и= 9 м/с Qnop 243 1.944 6.560 15.550 30.371 52.481 83.338 124.399 177.123 242.967

и= 11 м/с Qnop 96 768 2.590 6.140 11.993 20.724 32.909 49.123 69.943 95.944

и= 14 м/с Qnop 7,2 58 195 462 903 1.560 2.477 3.698 5.265 7.222

Т= 45°С, а- 357,8 м/с R 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

u= 7 м/с Qnop 348 2.785 9.399 22.278 43.512 75.189 119.398 178.227 253.764 348.099

u= 9 м/с Qnop 247 1.973 6.660 15.788 30.835 53.283 84.611 126.300 179.830 246.680

u= 11 м/с Qnop 100 800 2.700 6.400 12.501 21.601 34.302 51.202 72.903 100.005

u= 14 м/с Qnop 8,9 71 240 570 1.113 1.924 3.055 4.560 6.493 8.906

атмосферное давление во время проведения взрыва, Рст- давление стандартной атмосферы, р- плотность воздуха, Т- температура воздуха во время проведения взрыва в градусах Кельвина Н=8,Э1.103 дж/град кмоль- универсальная газовая постоянная.

Наличие ветра в атмосфере региона при взрывах приводит к дополнительному нагружению элементов охраняемых объектов, так как в данном случае взрывная волна воздействует на предварительно нагруженные ветром потоком части здания и сооружения. Если скорость ветра направлена в сторону жилого массива или сооружения, то результирующее давление, действующее на обращенные к ветру их элементы, определяется сложением ветрового избыточного давления торможения ДРВ и избыточного давления за фронтом отраженной от стенки здания взрывной волной и имеет вид:

ДРЭ - 0,0116Ё1А + ДРв /2 кг/см2

В (4) выражение для ДРв встречного потока на основе формулы скоростного напора [7] представляется в виде:

ДР = р

в ' 2' а2

где Р0- атмосферное давление, у- показатель адиабаты Пуассона (у= 1,4), и- скорость ветра, м/с, а- скорость звука (м/с) определяется по формулам:

скорости ветра и от температуры воздуха, так как скорость звука в воздухе непосредственно является функцией текущей температуры воздуха.

Учитывая, что пороговое значение эффективной интенсивности воздуш-

ной волны

ДР„

ДР Э = ДР !пор <

ДР.

где

р * пороговая амплитуда избыточного давления на фронте взрывной волны без учета ветра, из (2) и с использованием (4) можно получить формулы мощности подрываемого заряда Опор зависимости от расстояния К в виде:

^пор

(ДР[шор-ДР т

. я

»-=1— (6) V М \Ро

где Т- температура воздуха в градусах Кельвина, К= 8,31 Дж/(моль.К), ра-плотность воздуха, м= 28.

Из формулы (6) видно, что избыточное давление ветра ДРе зависит от

0,0116

\ ' у

при 90 > ДРГ Пор> 20 Па

Результаты расчетов по определению допустимой мощности взрыва в зависимости от расстояния до охраняемого объекта в случае ЛР{ пор = 90 Па для различных погодных условий, рассчитанные по формуле (7), представлены в таблице.

На основании выполненных экспериментальных исследований и сравнительного анализа результатов натурных измерений параметров УВВ при взрывах в экспериментально-климатических условиях Вьетнама, получены следующие научные результаты:

для ДР[пор= 90Па при фиксированном значении скорости ветра и= 7 9 м/с с изменением температуры воздуха от +25 °С до 10 °С мощность взрыва уменьшается примерно в 1,02^1,1 раза. а при изменении температуры от +25°С до 45°С мощность взрыва уменьшается примерно в 1,07^1,2 раза (из таблицы); необходимо уменьшить мощности взрываемых зарядов ВВ как минимум на 20 - 30 % при температуре воздуха Т< 25°С, по сравнению с нормаль-

ным условием стандартной атмосферы;

- при проведении взрывных работ в условиях ветра происходит существенное уменьшение предельно допустимого значения избыточного давления во фронте ударной волны и величины мощности взрыва при различных расстояниях до охраняемых объектов. В частности, в случае Т= 25 °С из сравнения результатов таблиц 1 видно, что для АР[пор= 90 Па и интервала расстояний 50< К < 500 м при скоростях ветра и= 7 ^ 9 м/с, по сравнению с условием отсутствия ветра (и< 5 м/с), предельно допустимая мощность взрыва уменьшается прибли-

1. Ганопольский М.И, Барон В.Л, Белин В.А., Пупков В.В., Сивенков В.И. Методы ведения взрывных работ специальные взрывные работы. Взрывное дело. 2007.

2. Установление параметров массовых взрывов на угольных карьерах "Нуй Бео",

обеспечивающих безопасную эксплуатацию комплекса зданий горнотранспортного предприятия при воздействии сейсмических и воздушных волн, 2007.

3. Совмен В.К., Марьясов А.Л., Кутузов Б.Н., Эквист Б.В., Токаренко А.В. Сейсмическая безопасность при взрывных работах, Взрывное дело 2012. - 225с.

4. Американская техника и промышленность. Сборник рекламных материалов. Вы-

зительно в 1,5 ^ 2,2 раза. При скоростях ветра u= 9 ^ 12 м/с, по сравнению с условием отсутствия ветра (u< 5 м/с), предельно допустимая мощность взрыва уменьшается приблизительно в 2,2 ^ 6,2 раза;

Вывод

Таким образом, из проведенных в данном параграфе расчетно экспериментальных исследований следует, что при проведении массовых взрывов на угольных карьерах "Нуй Бео" в осенне-зимних климатических условиях, когда температура воздуха в регионе Т= 10 °С, по сравнению с Т = +25 °С, мощности взрывов необходимо уменьшить примерно на одну треть.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

пуск IX. «Горная промышленность», 1978.

5. Барон B.JI. Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США. М. "Недра". 1989.

6. Ханукаев А.Н. Физические процессы при отбойке пород взрывом. М:, Недра, 1974.-223 с.

7. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ. Ч. 1. Разрушение горных пород взрывом. Учебник для вузов.-М.: Издательство «Горная книга», 2007.- с.431.

8. Siskind DE. Structure Response and Damage produced by airblast from surfacemin-ing// United states Department of the Interior, Bureau of Mines Report of Investigations -1980-№8485.-Pp. 1-111. EE

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Чан Куанг Хиеу - аспирант,

Белин Владимир Арнольдович - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru Moscow State Mining University, Russia.

A