CC BY
23
© И.М. Паланкоев, 2015
УДК 622.235.622.253 И.М. Паланкоев
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ В СТВОЛАХ ШАХТ, ПРОХОДИМЫХ СПОСОБОМ ИСКУССТВЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ
Взрывные работы в вертикальных шахтных стволах часто осложняются трудностью разработки некоторых скальных горных пород и опасностью повреждения замораживающих колонок, что зачастую является причиной тяжелых аварий, включая и затопление стволов. Анализируются различные схемы воздействия импульсов напряжений от взрыва на замораживающие колонки, вычислены максимальные напряжения (250 кгс/см2), действующие на стальные трубы колонок. Ключевые слова: взрывные работы, проходка ствола с применением искусственного замораживания, влияние взрывных волн.
При строительстве вертикальных стволов способом искусственного замораживания стволом пересекаются водообильные, неустойчивые породы, такие как супеси, обводненные сланцы, известняки, доломиты. Разработка буровзрывным способом таких пород часто осложняется, что вызвано не столько сложностью бурения в замороженных нескальных породах, сколько возможностью повредить замораживающие колонки.
Вопросу влияния взрывания окон-туривающих шпуров на герметичность замораживающих колонок посвящались работы таких авторов, как Я.Н. Цейтлин, И.З. Драговейко, И.Б. Карасик и др.
Известно, что заряд оконтуриваю-щих шпуров в стволе характеризуется отношением
Ш
— = 22 ■ 25 2Я0
где W - линия наименьшего сопротивления л.н.с.; R0 - радиус заряда.
Разрушительное действие взрывания оконтуривающих шпуров относится к работе зарядов наружного действия. Разрушительный эффект таких зарядов проявляется, преимущественно, в направлении л.н.с., т.е. к центру ствола. В направлении массива радиус
зоны трещинообразования не превышает 20 R0, или 360-460 мм в скальных породах и 40 R0 или 720-920 мм в нескальных.
Толщина ледопородного ограждения чаще всего находится в диапазоне от 2,0 до 3,5 м,
2000 ■ 3000
т.е. в -= 2,2 ■ 8,4 раза
360 ■ 920
больше толщины возможной зоны тре-щинообразования. Кроме того, высокие пластично-вязкие свойства пород, особенно нескальных, сохраняемые в значительной мере и в замороженном состоянии, способствуют быстрому «зарастанию» трещин, которые могут образовываться при взрыве комплекта шпуровых зарядов ВВ.
Эти соображения дают основание полагать, что полного разрушения сплошности ледопородного ограждения путем прорастания трещин едва ли возможно. Но если предположить, что при некотором неблагоприятном стечении обстоятельств все же возникнут отдельные трещины, пронизывающие ледопородный цилиндр, они будут тотчас «залечены» в результате замерзания проникающей в трещины воды и реологических свойств самого ледопородного ограждения.
Гораздо более реальна опасность другого рода - а именно, возможность разрушения замораживающих колонок.
Разрушение замораживающих колонок не только нарушает режим работы замораживающей станции, но, вследствие утечек рассола, интенсивно снижает температуру ледопо-родного цилиндра, что влияет на его прочность, и может быть причиной тяжелых аварий, включая и затопление ствола в целом.
Разрушающее действие взрыва шпуровых зарядов данного взрывчатого вещества на замораживающие колонки зависит, по мнению [1], в первую очередь, от расстояния от оконтуриваю-щих шпуров до колонок, сейсмической характеристики пород и прочностных параметров колонки.
Замораживающие колонки могут быть разрушены [2] не только действием взрыва, но и в результате напряжений, возникающих в колонках при производстве монтажных работ, в процессе замораживания, и во время проходческих работ в стволе. Эти напряжения изменяются во времени, количественная оценка их весьма затруднена, и, кроме того, они могут комбинироваться между собой в разных взаимосочетаниях. Все это крайне затрудняет возможность их учета и прогнозирования.
Предположим, что для конкретных горнотехнических условий, известны главные ст1, ст2, ст3, а также результативное напряжение в колонках вследствие совместного действия взрыва и всех вышеперечисленных факторов. По принятой в сопротивлении материалов методике расчетов на прочность, определим расчетное напряжение и сопоставим с допустимым, то есть выберем наиболее приемлемую для напряженного состояния замораживающих колонок схему нагружения и прочностной расчет. Однако, не всегда возможно получить однознач-
ное решение. И не всегда возможно прогнозирование устойчивость колонок в аналогичных горно-технических условиях.
Необходимо напомнить, что безопасное расстояние от действия взрыва на замораживающие колонки будет зависеть от кривизны вертикальности замораживающей колонки. При глубине ствола 100 м погрешность расположения скважина на погоризонт-ном плане вычисляется по формуле:
100 • 1д10 = 0,0029 • 100 = ±29 см,
При глубине 200 м - погрешностью ±58 см.
Способность передавать взрывные импульсы напряжения в одних и тех же породах изменяется в весьма широких пределах. Так, например, в суглинках, максимальная величина импульса напряжения превышает минимальную в 2-2,5 раза. По данным [1], показатели сейсмических свойств замороженных нескальных пород, как многофазные системы, обладают высокой вариацией (рис. 1).
Для расчета безопасного расстояния колонок от действия взрыва вос-
Отэх. кг/см2
120 —1\--100 \
60 \
О 40 80 120 160 200 240 2Э0 f
Рис. 1. Затухание максимальных напряжений при взрывании удлиненные зарядов аммонита № 6 весом 226, 400, 3200, 7850 г
пользуемся принципом независимости действия сил, на основании которого, разрушающее действие взрывных импульсов напряжения на замораживающую колонку можно рассматривать независимо от других причин нарушения герметичности замораживающих колонок.
Возбужденные взрывом шпуровых зарядов однократные импульсы напряжения распространяются в среде ле-допородного ограждения, быстро затухая по мере удаления от очага взрывания. Чтобы приближенно вычислить
амплитуду и длительность импульсов, а также плотность потока энергии в ле-допородном цилиндре, воспользуемся методом проф. А.И. Ханукаева, по данным которого, затухание плотности потока энергии имеет вид (рис. 2)
Этими данными хорошо подтверждена справедливость закона геометрического подобия при взрывании удлиненных зарядов, если отношение длины к диаметру заряда больше 10-12.
Согласно закону геометрического подобия, возбуждаемые взрывом данного ВВ напряжения в массиве горной породы не зависят от веса заряда и определяются только относительным
расстоянием
r = -
а длительность
импульса напряжений в данной точке линейно зависит от г1 и прямо пропорциональна Я0.
Из приведенных графиков следует, что при взрывании в скальных породах шпуровых зарядов аммонита № 6 диаметром 36 мм (Я0 = 0,018 м), через точку, удаленную, например на 108 см 1 108
от оси шпура (г1 =-= 60), в течение
1,8
= 0,8 мсек «пробега-
t =
0,08 • 45 • 103 103
Рис. 2. Приведенная плотность потока энергии при взрывании удлиненных зарядов аммонита № 6 весом 226, 400, 3200, 7850 г
ет» импульс с максимальным напряжением ст = 250 кг/см2 и плотностью потока энергии Ф = 0,018-8,5-104 = = 1530 кгм/м2.
Под плотностью потока энергии Ф подразумевается количество энергии, проходящее через единицу поверхности за время действия импульса. Направлении, нормальном фронту распределения импульса (волны):
Ф = сти (1)
Параметры ст, Ф и t характеризуют импульс напряжения в точке, находящейся на относительном расстоянии
1 г 108
г = — = = 60 от центра взрыва. ^0 1,8
Располагая, таким образом, значениями ст, Ф и t импульса напряжения в скальной породе, можно определить ст, Ф и t импульса напряжения, распространяющегося в ледопород-ном цилиндре. Для этого необходимо иметь в виду следующее.
Продолжительность импульсов напряжения, распространяющихся в породе вследствие взрыва шпуровых зарядов составляет 1-5 мсек. В течение столь короткого промежутка времени пластические деформации не успевают произойти, и породу можно рассматривать как упругую среду, для которой максимальное напряжение в импульсе определяется выражением: peu
ст = -
g
(2)
ст
(pc )
V /л
ст
(Pc ) л
(3)
Тогда по формуле (3)
(4 ■ 7)105
ст = 250--'—— = 74 ■ 130
13,5 • 105
кг/см2.
Необходимо отметить, что с уменьшением акустического сопротивления рс продолжительность импульса напряжения t возрастает.
При переходе в первом приближении от корреляционной зависимости к функциональной вида: Г
(pc)
V' /л
Ц. Нл.ц. Получим
(4)
где р - объемный вес породы; с - скорость распространения продольного импульса (волны); д - ускорение силы тяжести; и - скорость смещения частиц породы в импульсе.
При одинаковых ВВ и относительных расстояниях г1, скорость смещения частиц и в различных горных породах имеет примерно одно и то же значение. Поэтому, в соответствии с (2), можно записать следующее соотношение:
где ст , ст - амплитудные значения
пор л.ц. ^
импульсов напряжения соответственно в породе и в ледопородном цилиндре; (рс)пор., (рс)л ц., - акустическое сопротивление соответственно породы и ледопородного цилиндра.
Дальнейшее решение ведется применительно к ледопородному цилиндру, представленному замороженными нескальными породами.
Тогда акустическое сопротивление замороженных пород колеблется в пределах (4^7)-105 г/см3 см/сек.
13 5•105 "■= ^^ (437)005 = 1,5■ 2,7мсек
Сопоставляя выражения (1) с (3) и (4), и учитывая, что и постоянная, можно заключить, что плотность потока энергии Ф в породе и в ледопородном цилиндре практически одинаковая.
По экспериментальным данным амплитудное значение импульса напряжения при взрывании шпурового заряда аммонита № 6 длиной 690 мм, диаметром 32 мм в сланцевой глине на расстоянии г1 = 60 составляет 71 кг/см2, что соответствует скорости смещения частиц в импульсе 2 м/сек [3].
Учитывая, что акустическое сопротивление замороженных нескальных горных пород и сланцевых глин незначительно отличаются между собой (соответственно равны (4^7)-105 и 3,6-105 г/см3 см/сек), сходимость результатов 74^130 кг/см2 и 71 кг/см2, можно считать вполне удовлетворительной, а параметры импульса напряжений в ледопородном цилиндре, приведенные в таблице - достоверными.
Поскольку взрыв каждого шпурового заряда происходит почти мгновенно по всей его длине, наиболее вероятным представляется тот факт, что фронт каждого импульса напряжения распространяется по схеме цилиндри-
Породы Параметры импульса напряжения на расстоянии г1 = 60 от центра взрыва
Амплитуда ст, кг/см2 Плотность потока энергии Ф, кгм/м2 Продолжительность t мсек.
Гранит рс = 13,5-105 г/см3 см/сек 250 1530 0,8
Ледопородный цилиндр рс = (4-7)-105 г/см см/сек 74-130 1530 1,5-2,7
ческой симметрии и параллелен поверхности замораживающих колонок, что говорит о том, что колонки работают на смятие.
В зависимости от взаимного расположения оконтуривающих шпуров и замораживающих колонок возможны
I!
I СТр»=1.90=0
различные схемы воздействия импульсов напряжения на замораживающие колонки. На рис. 3 показаны две схемы: по схеме 1 на колонку действует одиночный импульс, максимальное значение которого ст = 74-130 кг/см2, по схеме 2 - когда колонка находится в точке пересечения фронтов двух соседних импульсов, на нее действует результирующий импульс ст ез Из геометрических построений (рис. 3) видно, что для обычных условий проходки максимальное его значение ст =
рез
= 1,9ст = 140-250 кг/см2.
' од '
Воздействуя на замораживающую колонку, импульс напряжения проходит через два контакта: I - замороженная порода-замороженный глинистый раствор и II - замороженный глинистый раствор - стальная труба колонки.
Известно, что при нормальном падении импульса на плоскость контакта двух сред он увеличивается или уменьшается в зависимости от соотношения акустических сопротивлений сред в
2р2 с2
Р1 с1 - Р2 С2
раза;
Рис. 3. Плоская картина воздействия импульсов напряжения на замораживающие колонки; схема 1 - на колонку действует одиночный импульс напряжения; схема 2 - на колонку действует результирующий импульс напряжения; 1 -замораживающая колонка; 2 - оконтуриваю-щие шпуровые заряды; 3 - положение фронта распространяющихся импульсов (волн) напряжения спустя 0,5 мсек после взрыва периферийных шпуровых зарядов, скорость распространения волны С = 2000 м/сек
где р1с1 - акустическое сопротивление среды, в которой распространяется падающий импульс (волна), р2с2 -акустическое сопротивление среды, в которой распространяется преломленный импульс (волна).
Рассматриваемые среды характеризуются следующими средними значениями акустического сопротивления:
замороженная порода -5,5-105 г/см3 см/сек;
замороженный глинистый раствор -1,9-105 г/см3 см/сек;
сталь - 45-105 г/см3 см/сек. Поэтому, при прохождении контакта I импульс уменьшается в
2 • 1,9
---= 0,51 раза; при прохож-
5,5 +1,9
дении контакта II - увеличивается в
2 • 45 - __
= 1,92 раза, а в итоге практи-
45 +1,9
чески не изменяется по величине, так как произведение 0,51-1,92 близко к 1.
Таким образом, в результате взрывания оконтуривающих шпуровых зарядов замораживающие колонки, находящиеся от них на расстоянии 1-1,1 м, оказываются подверженными в течение 1,5^2,7 мсек сминающему напряже-
нию, максимальное значение которого достигает 250 кг/см2.
Известно, что для монтажа замораживающих колонок применяют обсадные трубы бесшовные стальные марки Е, наружным диаметром 146 мм и толщиной стенки 7 мм. При статическом действии нагрузки допускаемое напряжение на смятие таких труб составляет 208 кг/см2.
Поэтому, целесообразно продолжить исследования буровзрывных работ в направлении изучения условий сохранности замораживающих колонок при взрывании шпуров глубиной 4 м и разработки патронированнных взрывчатых веществ с продольной кумуляцией, обеспечивающих направленный к центру ствола взрыв, то есть минимуму сотрясения в направлении замораживающих колонок.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карасик И.Б. Буровзрывная выемка замороженных пород при проходке стволов / Проектирование и строительство угольных предприятий. Реферативный сборник № 1112. - М.: ЦНИЭНуголь, 1969. - С. 12-14.
2. Паланкоев И.М. Анализ причин возникновения аварийных ситуаций при про-
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
ходке вертикальных стволов способом искусственного замораживаний грунтов // Безопасность труда в промышленности. -2014. - № 2. - С. 49-54.
3. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. - М.: Недра, 1981.
Паланкоев Ибрагим Магомедович - аспирант, МГИ НИТУ «МИСиС», президент ЗАО «ОШК «Союзспецстрой», e-mail: palankoev.im@souzspecstroy.ru.
UDC 622.235.622.253
PARTICULAR QUALITIES OF BLASTING IN SHAFTS, CONSTRUCTED BY METHOD OF GROUND FREEZING
Palankoev I.M., Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,
119049, Moscow, Russia, President of UMCC Souzspecstroy, e-mail: palankoev.im@souzspecstroy.ru.
Blasting works in vertical shafts often are complicated by working out of rock soils and by menace of freezing columns damage. This accounts for serious emergency setuations, including flood of shaft.
In this article were analyzed different diagrams of exertion pulse effects, was counted a top exertion (24.5 MPa) which affects on steel tubes of freezing columns. Were formulated aims of following tests.
Key words: blasting, ground freezing method, freezing columns, exertion pulse effects.
REFERENCES
1. Karasik I.B. Proektirovanie i stroitelstvo ugol'nykh predpriyatii. Referativnyi sbornik no 11-12 (Coal mine planning and construction. Collected abstracts no 11-12), Moscow, TsNlENugol', 1969, pp. 12-14.
2. Palankoev l.M. Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2014, no 2, pp. 49-54.
3. Tseitlin Ya.l., Smolii N.l. Seismicheskie i udarnye vozdushnye volny promyshlennykh vzryvov (Seismic and shock waves of production blasting), Moscow, Nedra, 1981.
