CC BY
72
УДК 551.242 (571.5)
Тюпин Владимир Николаевич
Vladimir Tyupin
Михайловский Александр Викторович
Alexander Mikhailovsky
ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА В НАПРЯЖЕННОМ ТРЕЩИНОВАТОМ ГОРНОМ МАССИВЕ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
BLAST EFFECT IN PRESTRESSED FRACTURED ROCK MASSIF AT DRIVING OF MINE WORKINGS AND RAILWAY TUNNELS
В статье приведен механизм действия взрыва при проходке выработок и железнодорожных тоннелей в трещиноватых напряженных горных массивах. Рассмотрены зоны действия взрыва. Зона заколов обеспечивает снижение устойчивости массива на контуре выработки. Зона взрывных остаточных напряжений принимает участие в обрушении породы на контуре выработки и разрушении обделки тоннеля. Для снижения вредного влияния взрыва необходимо принять специальную технологию или проходить выработки и тоннели механическим способом
The article describes the mechanism of blast effect at driving of mine workings and railway tunnels in prestressed fractured rock massifs. Areas of blast effect are considered in the article. The area of flaws causes decreased stability of the massif within the envelope of the mine working. The area of blast residual stress causes rock slide within the envelope of the mine working and destruction of tunnel lining. It is necessary to use special technology or to drive mine workings and tunnels mechanically in order to reduce adverse effect of blasting
Ключевые слова: действие взрыва, горный массив, Key words: blast effect, rock massif, driving of mine work-проведение выработок ings
Крепление горных выработок и железнодорожных тоннелей является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом, который, в первую очередь, зависит от величины горного давления, устойчивости горных пород, сечения горных выработок и т.д. При этом на устойчивость горных выработок значительно влияет напряженно-деформированное состояние (НДС) окружающего горного массива после взрывных работ.
Для оценки влияния действия взрыва на НДС трещиноватого массива в условиях подземных горных работ ОАО Приаргунское горно-химическое объединение (ППГХО) были проведены несколько серий экспериментальных исследований. Исследования проводились на глубине 630...690 м и от поверхности земли в горных выработках диаметром 3.4 м с использованием приборов акустической эмиссии (ЗП-5), сейсмических приборов (ПОСВ) и ульт-
развуковых приборов. Напряженное состояние рованию трещиноватого массива взрывом по-горного массива оценивалось до и после зволили установить механизм формирования
взрывания групп зарядов ВВ.
зон заколов и остаточных напряжении в тре-
Проведенные экспериментальные ис- щиноватом массиве при взрыве заряда ВВ, следования и анализ литературы по деформи- параллельного открытой поверхности (рис. 1).
а
їТ.-1 1- т і. 4г Ї- 1 Г ]Г'| ■Г Я
н і . т кТ _ V [^}
л • Ь- ч Ч1
ею
Рис. 1. Развитие процесса деформирования трещиноватого массива взрывом во времени
а - до взрыва; б - во время взрыва; в - после взрыва; г - после сейсмического воздействия очередного взрыва; 1- выработанное пространство; 2, 3, 4, 5 - соответственно зоны выброса, дробления, заколов, остаточных напряжений; 6 - зона естественного состояния массива
Под действием давления продуктов детонации (ПД) трещиноватый массив начинает смещаться во все стороны от взрываемых зарядов ВВ, что сопровождается дроблением отдельностей в зоне 3, деформациями и трением на берегах естественных трещин, а также упругими деформациями отдельностей в зонах 4 и 5. Движение части массива 2 в сторону выработанного пространства 1 сопровождается выбросом отдельностей.
После падения давления в зарядных полостях реакция упруго деформированных взрывом отдельностей и горное давление в зонах 3 и 4 приводят к смещению массива в
сторону пространства 1. Причем запас упругой энергии в зонах 3 и 4 превышает энергию, расходуемую на трение, возникающую между отдельностями, что сопровождается смещением массива и падением напряжения в этих зонах с образованием заколов. Возвращению упруго деформированных отдельностей в зоне 5 в первоначальное НДС (до взрыва) препятствуют силы трения на берегах естественных трещин, создаваемые горным давлением. То есть массив за пределами зоны заколов как бы «запрессовывается», и его напряженное состояние в зоне 5 увеличивается.
Таким образом, за зоной дробления от-
дельностей в трещиноватом массиве находятся зоны с измененными физическими свойствами, что выражается в образовании заколов в зоне 4 и уменьшении ширины раскрытия естественных трещин в зоне 5 с изменением напряженного состояния отдельностей массива в зонах 4 и 5. Проведение следующего цикла буровзрывных работ на расстоянии от зоны 5 приводит к практически мгновенному прира-
щению величины напряжений в зоне, что обеспечивает превышение сил трения в ней и разгрузке массива за счет сейсмического действия взрыва, в результате чего максимум напряжений смещается вглубь массива, а напряжения в зоне максимума уменьшаются (рис. 2). Основные параметры НДС массива при проведении горной выработки буровзрывным способом приведены на рис. 2.
I ■
К г 2 У
/! ✓ К '— „
// 1 1 1 1— 1 |
03
-е£т
N
Рис. 2. Зависимость остаточных напряжений о (Па) с расстоянием г (м) от борта выработки
1- вблизи забоя выработки; 2 - на расстоянии от забоя, после разгрузки массива сейсмическим действием взрывов на проходке
а (г) = 2Ер~тП—8— У эт2 ,
р 1 -п
Па, при 0< г <Рэ;
а (г)=^ °р в4 с (1 - _ту_л
8 гКсФ ^ 1 -V /
кя± к ±(ы )КоТ + р (1 - т),
Па, при г>Рэ, (1)
где г - текущее расстояние от контура выработки вглубь массива, м;
Рэ - расстояние от контура выработки до максимума в зоне остаточных напряжений на любом удалении от забоя, м;
Роз, - расстояние от контура выработки до максимума в зоне остаточных напряжений вблизи забоя выработки, м;
Кс - показатель, учитывающий сейсмическое действие взрыва;
Э, рв, ^ - детонационные и геометрические параметры ВВ;
Ер, су, ¡1 - физико-технические свойства отдельностей горного массива;
8, de, к, (, Ф - параметры трещиноватости массива;
К„±, К±(М), К от - показатели, учитывающие взаимодействие зарядов ВВ и открытую поверхность;
Р - величина горного давления в ненарушенном массиве.
Производственные экспериментальные исследования, проведенные на урановых руд-
никах ОАО «ППГХО», позволили установить зависимости радиуса зоны заколов (расстояние от контура выработки до дальнего закола (рис. 3). Исследования проводились по обнажению горного массива после врезки выработ-
Рис. 3. Зависимость расстояния между контуром выработки и границей зоны заколов (Я>з) от размера естественных отдельностей (бе,)
Промышленные экспериментальные исследования по определению зависимости радиуса зоны остаточных напряжений от среднего размера отдельности в массиве проводились методом кернов, параллельных скважин, методом разгрузки и ультразвуковым методом. Результаты исследований приведены на рис. 4. Анализ рис. 3 и 4 показывает, что ширина (Ш) зоны остаточных напряжений (Ш= Рост -Роз) при размере отдельности Ье = 0,1 м составляет 2.3 м; при Ье= 0,4 м, Ш =1.2 м; при Ье = 1,0 м, Ш = 0,5.1,0 м.
ки в борт, перпендикулярно оси существующей выработки. Типовые параметры буровзрывных работ при проходке выработок на рудниках ОАО «ППГХО»: диаметр шпуров - 42 мм, ВВ -аммонал 200, взрывание - электроогневое.
о а,ц <1.е ол го
Рис. 4. Зависимость расстояния между контуром выработки и границей зоны остаточных напряжений (Ност) от размера отдельности( дв)
Максимальное значение величины остаточных напряжений в горном массиве очевидно находится на расстоянии Роз. Для примера была определена для Северо-Муйского тоннеля максимальная величина взрывных остаточных напряжений и величина горного давления в ненарушенном массиве.
Средняя величина горного давления определялась в зависимости от глубины расположения тоннеля, объемной массы вышележащих пород и угла внутреннего трения массива. Данные приведены в таблице.
Расчетные значения максимальной величины остаточных напряжений и средней величины горного давления в Северо-Муйском тоннеле на глубине 500 м
de,м Ф, м т Рср,106, Па Роз, М о (г), 106,Па
< 0,05 > 12 < 0,2 > 13,3 > 2,0 <19,6
0,05-0,15 12-10 0,2-0,3 13,3-15 2,0-1,1 19,6-30,6
0,15-0,40 10-8 0,3-0,45 15-18 1,1 -0,7 30,6-48,2
0,40-1,0 8-6 0,45-0,6 18-22 0,7-0,6 48,2-69,3
> 1,0 < 6 > 0,6 > 22 <0,6 > 69,3
Анализ таблицы показывает, что величина остаточных напряжений после проведения взрывных работ на дальней границе зоны заколов (в зоне максимума остаточных напряжений) в 1,5.3 раза превышает среднюю величину горного давления в глубине массива. Со временем, за счет временной релаксации напряжений, за счет сейсмического действия землетрясений и вибродинамического воздействия подвижного состава величина максимума остаточных напряжений уменьшается и смещается в глубь массива. При этом величина напряжений на контуре выработки и крепи выработки или обделки железнодорожного тоннеля увеличивается и может достигать 0,3.0,5 от напряжения в максимуме, т.е. 6,0.35,0 МПа.
Это приводит к нарушению обделки, т.к. величина прочности неповрежденного бетона составляет 40,5 МПа. Явление интенсивного нарушения обделки железнодорожного тоннеля обнаружено в Северо-Муйском тоннеле [1].
Проведенные нами исследования доказывают появление эффекта формирования зоны остаточных напряжений в горном масси-
1. Быкова Н.М. Северо-Муйский тоннель из XX в XXI век / Н.М. Быкова, СИ. Шерман. - Новосибирск: Наука, 2007. - 185 с.
2. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва
Коротко об авторах_________________________________
Тюпин В.Н., д-р техн. наук, профессор, Забайкальский институт железнодорожного транспорта (ЗабИЖТ), Ир-ГУПС
Научные интересы: разрушение горных пород взрывами
Михайловский А.В., директор по производству ОАО ППГХО
Научные интересы: разрушение горных пород взрывами
ве. В последующем напряженные породы зоны остаточных напряжений деформируют породы зоны заколов и железобетонную обделку, принимая участие в ее разрушении. Уровень напряжений на контуре выработки превышает среднее горное давление в 1,2.1,5 раза и сопоставим с пределом прочности железобетонной обделки или набрызгбетона на сжатие 10.40 МПа. Это говорит о существенном влиянии пород зоны остаточных напряжений и зоны заколов на устойчивость обнажений, крепи горных выработок или железобетонной обделки тоннеля.
Для снижения влияния взрывных работ при проходке выработок и тоннелей на НДС законтурного массива разработана специальная технология ведения БВР с применением контурного взрывания. Наилучшим способом проходки тоннелей и выработок можно считать механический - с помощью горно-проходческих комплексов, комбайнов, тоннелепроходческих машин, которые не создают неустойчивые зоны заколов и активные зоны взрывных остаточных напряжений.
______________________________Литература
при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В.Н. Тюпин. - М.: вНиПиПТ, 2002. -267 с.
_____________________________Briefly about the authors
V. Tyupin, Doctor of Engineering, Transbaikalian Institute of Railway Transport (TIRT), ISCU
Areas of expertise: destruction of rocks by blasting A. Mikhailovsky, Operational Director, PPGHO OJSC
Areas of expertise: destruction of rocks by blasting
