CC BY
37
- © В.Н. Ковалевский, В.А. Ишсйский,
Ж.Г. Дамбасв, 2015
УДК.622.235
В.Н. Ковалевский, В.А. Ишейский, Ж.Г. Дамбаев
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАРЯДОВ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ БЕЗОПАСНУЮ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩУЮ ТЕХНОЛОГИЮ ДОБЫЧИ БЛОЧНОГО КАМНЯ
Описан комплексный подход управления энергией взрыва в массиве горных пород для обеспечения безопасного извлечения и сохранности минерального сырья на основе оптимизации параметров буровзрывных работ при добычи строительных материалов из природного камня. Приведено сравнение результатов модельных экспериментов на оптически прозрачных материалах с результатами действия взрыва в натурной среде, показана картина развития трещин по линии смежных зарядов. Обоснован подход к оценке качества блоков облицовочного камня при их взрывном отделении от массива зарядами различных конструкций путем определения техногенных нарушений в околошпуровой зоне.
Ключевые слова: взрывные работы; шпур; удлиненный заряд; законтурный массив; массив горных пород; минеральное сырье.
Технология добычи облицовочных строительных материалов должна вестись с позиций ресурсосбережения, т.е. с сохранением всех его естественных прочностных свойств, которые обладают яркой декоративностью, качественной устойчивостью к суровым климатическим условиям. В настоящее время применение технологии взрывной отбойки обеспечиваются в пределах 20-25% от объема добываемой горной массы. Известно, что с увеличением расхода взрывчатых веществ (ВВ) на один погонный метр увеличивается зона на-рушенности законтурного массива и соответственно расстояние между смежными зарядными полостями. Таким образом, масса заряда и расстояние между смежными скважинами находятся в противоречии с обеспечением сохранности
законтурной части массива: чем больше это расстояние, тем большими будут размеры зоны нарушенности законтурного массива.
Для обоснования полноты процесса разрушения законтурного массива были проведены модельные эксперименты на оптически прозрачных материалах с учетом интерференционного процесса между смежными зарядами, которые обеспечивает процесс трещинообразования по линии расположения зарядов [1]. При этом очень важную роль составляет - первичное зарождение (старт) радиальной трещины по линии расположения зарядов за счет оптимальных амплитудно-временных параметров импульса взрыва, что обуславливает сохранность законтурного массива.
На рис. 1 представлены результаты натурных экспериментов Слюдянского месторождения мрамора на карьере «Буровщина» при расстоянии между скважинами 2 метра с применением комбинированного заряда взрывчатых веществ (КЗВВ) состоящего из аммиачной селитры инициируемой спиральной нитью ДШ. Данная комбинация заряда обеспечивает низкоскоростной режим взрывчатого превращения, т.е. взрыв ДШ оказывает небольшое бризантное воздействие на массив, а аммиачная селитра выделяет дополнительные газообразные продукты за счет горения. При таком взрыве увеличивается кинетика взрывчатого превращения и тем самым обеспечивается увеличение начальной фазы импульса взрыва [2].
Расчеты параметров БВР для щадящего взрывания обеспечивает снижение нарушенности массива за счет динамического воздействия начальной фазы взрывного импульса, т.е. путем управления кинетикой взрывчатого превращения в полости зарядной камеры. При этом необходимо, чтобы давление продуктов взрыва (ПВ) в зарядной полости не превышало прочность на
Рис. 1. Результаты натурных экспериментов Слюдянского месторождения мрамора на карьере «Буровщина»
сжатие и величину критического растягивающего напряжения массива горной породы.
Выбор заряда из аммиачной селитры с ДШ рассматривался давление продуктов взрыва (ПВ) в скважине с обратным пересчетом вычислялся диаметр ВВ. Расчет давления ПВ для КЗВВ производился с использованием уравнения состояния с вири-альными коэффициентами, учитывающими зависимость ково-люма от удельного объема газов в форме Тейлора.
Р = р- "ИТ х
А ^ 0.625 (-У + 0.287(-У + 0.193(
V ) { V ) { V ) { V
(1)
где Ь2 — второй вириальный коэффициент, см3/г; р — плотность продуктов детонации, г/см3; И — молярная газовая постоянная, Дж/кмоль; Т — температура продуктов взрыва, К; п — число молей продуктов детонации; Р — давление продукты детонации, кгс/см2.
Второй вириальный коэффициент Ь2 рассчитываются путем суммирования величин Ь! ( для различных компонентов продуктов взрыва).
Е П=1 "А
1 п
А = ^ '=1 , (2)
п
где п — число молей 1-го компонента в уравнении разложения
продуктов взрыва.
Величины вторых вириальных коэффициентов представлены, для различных газообразных продуктов взрыва представлены в табл. 1.
Таблица 1
Газ см3/моль по Бетти-Бриджмена
СО2 37
Н2О 7.9
О2 21
N2 34
В единице веса рассматриваемой конструкции заряда ВВ содержится 93% аммиачной селитры (НН4НО3) и 7% ТЭНа (СзНЛО^)
930/80 Ш4Ш3 +70/316 СбНз^О^ ^ Сал^^^л
Реакция разложения взрывчатого вещества рассчитывались по методу Авакяна:
C1.1H48.3N37.5O24.! ^ СО21.1+ 24.1Н2О+5.6О2+12.1И2
Кислородный баланс ВВ составляет КБ =17.9 %.
Общее число молей продуктов детонации составляет 42,12. Второй вириальный коэффициент в соответствии с (2).
Ь2 =
1.1 • 37 + 24.1 • 7.9 + 5.6 • 21 +12.1 • 3.4
= 17.72 см3/моль
42.9
или Ь2 = 17.72/23.3 = 0.76 см3/г.
Теплота взрыва комбинированного ВВ равна: Рвзр=18,08 кДж/кг или на 1 пм
рвзр =1808-0.177=320 кДж/м.
При изоэнтропическом законе (3=сспз1:) расширения газа из второго начала термодинамики имеем:
Р6Ч = -С Л, г с
где ^ = М ;
где Си — теплоемкость; С — удельная теплоемкость. Запишем уравнение состояния в виде
Р • /(и) = —, М
(3)
где /"(и) =
V
0.76 0.36 0.13 0.064 '
(4)
(5)
1
V V V3
тогда из (4) и (5) находим
Г2-^=С1П ^.
¡V /(и) Я Т2
V4
(6)
Для определения начальной температуры взрыва могут быть использованы зависимости энергии Е продуктов взрыва КЗВВ от температуры на основании учета внутренней энергии газовых продуктов Н2О, СО2, N2 и О2.
При определении средней теплоемкости Си в интервале
температуры газовой смеси была аппроксимировано прямой линией зависимость внутренней энергии Е от температуры Т . Тангенс угла наклона этой прямой и будет средней теплоемкостью:
Си= 0.8 кДж°К/кг.
Подставляя в уравнение известные величины: К = 8,314 Дж/кмоль, Си = 0.8 кДж°К /кг °К, Т=2273 °К, получаем уравнение связи объема газов и температуры: {уг с1У 18.4 , 2273
I -=-1п--(6)
/ (и) 8.314 Т
где /(и) % 0.76 0.181/ 0.43 0.064 (7)
1 +-+ —+-^ +-Й—
V V2 V3 V4
0.76 0.18 0.043 0.016 1п V--+ —-5- +-^— +-— = -2.21 • 1п Т +
V V2 V3 V4
001 ! 007^ 1 г/ 0.76 0.36 0.13 0.064 +2.21 • 1п2273 + 1п V--+-+-+-, (8)
1 V V V V ' "
где V - величина обратная плотности заряжания ВВ; У1 - величина обратная плотности ВВ.
При этом плотность заряжания ВВ будет рВВ = 0.9 г/см3, тогда удельный объем газов равен V = 1 см3/г. В этом случае формула (8) примет вид:
. .. 0.76 0.18 0.043 0.016 оо-,,.,. 1п V--+--г- +-5— +-— = -2.21 • 1п Т +
V V V3 V4
+2.21 • 1п2273 + 1п V, -1.314. (9)
задавая значения V в (6), получаем соответствующие значения для Т в градусах Кельвина и, подставляя в (7), получаем давле-
ние газов. Графики зависимости температуры и давления продуктов детонации от удельного объема газов приведены на рис. 2.
Таблица значений температуры и давления ПВ в зарядной полости в зависимости от удельного объема газов представлены в табл. 2.
Для данного КЗВВ при плотности рвв =860 кг/м3, диаметре 0.023м. в скважине диаметром 0.105 м, и удельным объем газов У=0.02 м3/кг=20 см3/г, давление газообразных продуктов составляет Р0=20 МПа.
Давление газов Р0= 20 МПа примерно в три раза превышает предел прочности мрамора на растяжение, что значительно меньше предела прочности на сжатие (примерно в 6 раз).
Таблица 2
Удельныйобъ-ем, см3/гр 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20
Температура продуктов взрыва, К 2273 1281 993 843 750 679 657 624 584 406
Давление продуктов взрыва, МПа 1873 340 153 91 62 45 35 28 23 20
2500
О ' "
10"Ч м3/кг
-ТЕМПЕРАТУРА ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА -ДАВЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА
Рис. 2. График зависимости температуры и давления в шпуре от удельного объема газов
На основании полученной зависимости были определены интервалы давления продуктов взрыва (от 20 МПа до 25 МПа), обеспечивающие минимальные разрушения законтурной области. Этот диапазон позволяет выбрать конструкцию заряда (диаметр ВВ) в качестве оптимальной с учетом минимальной зоны нару-шенности законтурного массива и обеспечении процесса трещи-нообразования между смежными скважинами при диаметре патронированного заряда 23 мм с шагом витка ДШ 0.1 + 0.2 м.
Проведенные опытно-промышленные эксперименты подтвердили возможность применения комбинированных зарядов ВВ, которые позволяют обеспечить направленное разрушение горной породы и снизить разрушающее воздействие взрыва на массив.
Для отбойки блочного камня от массива необходимо создать давление в зарядной полости от 20 до 25 МПа и при этом в комбинированных зарядов ВВ необходимо придерживаться процентных содержании аммиачной селитры (93%) и ТЭНа (7 %).
Для шпуров диаметром 42 мм, диаметром ВВ 14мм (удельный объем составлял ^=9 см3/г) давление продуктов взрыва составляло Р=23 МПа.
Одним из основных критериев оценки воздействия зарядов взрывчатых веществ (ВВ) различных конструкций на массив при направленном разрушении горных пород является сравнение техногенных нарушений за пределами плоскости разрыва в пришпуровой зоне.
Методика определения техногенных нарушений должна быть построена так. чтобы можно было бы разграничить трещины по их происхождению, оценить зону нарушенное™, сравнить между собой разрушающее действие зарядов взрывчатых веществ (ВВ) различных конструкций [3, 4].
При этом под контролем качества следует понимать действия по определению физико-технических характеристик образцов по мере удаления от следа шпура. Изменения их выражаются в процентах по отношению к контрольным параметрам. Контрольными параметрами могут быть приняты скорость распространения ультразвуковых волн, предел прочности образцов на одноосное сжатие, изгиб. растяжение, количество трещин случайной секущей, максимальная длина трещин в направлении, нормальном к линии раскола блока.
При отработке параметров буровзрывных работ (БВР) на гранитных карьерах Ленинградской области контроль качества блоков, добытых зарядами различных конструкций, проводился следующими методами.
Петрографическими исследованиями устанавливались: распределение техногенных трещин по образцу, радиус (зона) трещинообразования, максимальная длина трещин в направлении, нормальном к плоскости раскола.
Средний линейный размер нарушенной зоны измерялся путем определения прочности образцов на растяжение.
Контролю качества подлежали образцы, добытые буровзрывным способом зарядами различных конструкций: эластичными трубчатыми зарядами «ЗЭТ» Гранилен» диаметром 15 мм; комбинациями зарядов (КЗВВ); взрывом черного дымного пороха (ДВП); шланговыми зарядами ЗША-14; двумя нитками детонирующего экструзивного шнура ДШЭ-12.
Отбор проб из массива отбитых блоков на карьерах или из плит на камнеобрабатывающих заводах осуществлялся буроклиновым способом или алмазными фрезами. Пробы отбирались из пришпуровой зоны в виде крупных кусков камня.
Изготовление образцов выполнялось в камнерезных мастерских распиловкой проб на штуфы размером 300x300x300 мм, 200x200x200 мм и 300x200x40 мм с последующей их обработкой в зависимости от требований методик испытаний.
Верхняя (анализируемая) и нижняя поверхности образца были плоскопараллельными с минимальной шероховатостью. На поверхности шлифов должны были быть исключены дефекты, образованные при резке, шлифовке и полировке. Для этого производилась последовательная шлифовка поверхностей абразивными микропорошками и полировка, что позволило снять нарушенный слой материала.
Для количественного анализа трещиноватости необходимо было создать оптический контраст с целью наблюдения и подсчета трещин. Для увеличения контрастности был выбран красковый метод.
Сущность метода заключалась в следующем: подготовленные образцы пропитывались в красящей жидкости в течение 1-3 часов, затем теплым 5 %-ным раствором кальцинированной соды с поверхности образца удалялись остатки
состава после пропитки. Затем на поверхность образца ровным слоем распылялся проявляющий состав. Через 5-10 минут сушки начинали проявляться крупные, а через 15-20 минут — более мелкие трещины. Таким образом, на поверхности образца выделялась область нарушенности, т.е. проявлялась картина распределения различных по длине и раскрытости трещин.
Петрографический анализ образцов производился орга-нолептическим методом с применением бинокулярной лупы с волоконным осветителем (АБВО). Бинокулярная система обеспечивала стереоскопический эффект при наблюдениях. В результате петрографического анализа образцов гранитов удалось определить распределение трещин в полупространстве образцов, ограниченном плоскостью отрыва, проходящей по линии шнурок.
Наряду с вышеперечисленными методами для определения зоны нарушенности использовался метод, базировавшийся на определении прочности на растяжение гранитных блоков [5]. Для определения предела прочности на растяжение применялся косвенный метод. Сущность его в том. что изготавливались образцы размером 150x242x40 мм со следами шпуров 10x24x40 мм параллельно линии раскола (рис. 1). Испытыва-лись балки, выпиленные в порядке удаления от шпура, а на-гружение проводилось с обратной стороны от зарядной полости по трехточечной схеме на изгиб.
При этом верхняя часть балки работала на сжатие, а нижняя часть — на растяжение (рис. 4). Если существовала трещина в блоке, то при растяжении нижней части происходило раскрытие
радиальной трещины и в дальнейшем ее развитие, т.е. разрушение наблюдалось при меньших нагрузках, чем у цельных образцов.
Напряжение на изгиб определялось по формуле:
М (10)
изг >
Рис. 3. Образцы балок со следом зарядной полости
где Мх— изгибающий момент (Н • м); \Мх- осевой момент сопротивления (м3).
Р 2 —'Л
- э /
-Ч
Рис. 4. Схема испытания балок на нимб: 1 - образец; 2 - нейтральная линия; 3 - радиальная трещина
К, см
12 3 15
Рис. 5. Размеры зон трешинообразования в граните при взрыве зарядов ВВ различных конструкций: 1 — ЗЭТ «Гранилен» 15x500; 2 — КЗВВ; 3 — ДВП; 4 — ЗША-14; 5 — ДШЭ-12 (две нитки в воздухе)
При этом размеры зон нарушенное™ определялись по мере удаления их от зарядной полости, которые оценивались по критическим растягивающим напряжениям.
Выполненные исследования по определению зон нарушен-ности позволили установить размеры радиальных трещин от действия взрывов зарядов различных типов и конструкций ВВ при взрывании в шпурах диаметром 42 мм. Результаты измерений представлены на рис. 5.
В заключение необходимый вывод:
Направленный процесс зарождения (старт) радиальной трещины по линии расположения удлиненных зарядов обеспечивает сохранность законтурного массива и зависит от интенсивности начальной фазы импульса взрыва для процесса тре-щинообразования между смежными удлиненными зарядами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ковалевский В.Н., Дамбаев Ж.Г. Оптимизация динамической нагрузки при взрыве смежных зарядов для процесса трещинообразования между ними. Вестник Бурятского государственного университета. 2012. № SB. С. 203-206.
2. Дамбаев Ж.Г., Кудряшов Б.Б., Куликов B.C., Мокану Ф.И. Заряд взрывчатого вещества. Патент на изобретение RU 2163337 29.06.1999
3. Нефедов М.А., Здитовецкий A.B. Куликов B.C. Новые типы зарядов взрывчатых веществ для отделения от массива блоков и монолитов горных пород // В кн.: Проблемы теории проектирования карьеров: межвузовский сборник, СПб. изд. СПГГИ(ТУ) — 1993. с. 78-84.
4. Нефедов М.А. Направленное разрушение горных пород взрывом. СПб. Изд. СПбГУ — 1992, — 185 с.
5. Дамбаев Ж.Г. Управление энергией взрыва для направленного разрушения твердых тел. ВНИМИ, СПб — 1999. — 120 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ковалевский Владимир Николаевич — доктор технических наук, профессор, vladimir_kovalevskiy@mail.ru,
Ишейский Валентин Александрович — аспирант, vd07@bk.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Дамбаев Жаргал Гомбоевич — доктор технических наук, univer@bsu.ru, Бурятский государственный университет, доктор технических наук.
UDC 622.235
THE ISSUE OF APPLICATION OF CHARGES COURSES OF ACTION PROVIDES A SAFE RESOURCE-SAVING TECHNOLOGIES OF BLOCK STONE EXTRACTION
Kovalevsky Vladimir, Doctor of Technical Sciences, Professor, vladimir_kovalevskiy@mail.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia,
Isheyskii Valentin, Postgraduate student, vd07@bk.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia,
Dambaev Zhargal Gomboevich, Doctor of Technical Sciences, univer@bsu.ru, Buryat State University, Doctor of Technical Sciences, Russia.
This article describes integrated control approach explosion energy in the rock mass to ensure the safety of mineral resources on the basis of optimizing the parameters of drilling and blasting method of building materials extraction of from natural stone. The comparison of the results of model experiments on an optically transparent material with the results of the action blast in natural environment, shows a picture of the cracks development through the related charges. Justified approaches to assessing the quality of the blocks facing stone in their separation from an array of different designs explosive charges by identifying tech-nogenic disturbances.
Key words: blasting; hole; elongated charge; rock massif; mineral raw material.
REFERENCES
1. Kovalevskij V.N., Dambaev Zh.G. Optimizacija dinamicheskoj nagruzki pri vzryve smezhnyh zarjadov dlja processa treshhinoobrazovanija mezhdu nimi (Optimization of dynamic load in the explosion of the charges related to the process of cracking between them). Vestnik Burjatskogo gosudarstvennogo universiteta. 2012. No SB. pp. 203-206.
2. Dambaev Zh.G., Kudrjashov B.B., Kulikov V.S., Mokanu F.I. Zarjad vzryvchatogo veshhestva (Explosive charge). Patent na izobretenie RU 2163337 29.06.1999.
3. Nefedov M.A., Zditoveckij A.V. Kulikov B.C. Novye tipy zarjadov vzryvchatyh veshhestv dlja otdelenija ot massiva blokov i monolitov gornyh porod (New types of explosives to be separated from the array blocks and monoliths of rock) // V kn.: Problemy teorii proektirovanija kar'erov: mezhvuzovskij sbornik, SPb. izd. SPGGI(TU) 1993. pp. 78-84.
4. Nefedov M.A. Napravlennoe razrushenie gornyh porod vzryvom (Directed destruction of rocks by explosion). SPb. Izd. SpbGU, 1992, 185 p.
5. Dambaev Zh.G. Upravlenie jenergiej vzryva dlja napravlennogo razrushenija tverdyh tel (Energy management explosion directional fracture of solids). VNIMI, SPb, 1999, 120 p.
