CC BY
18
ГЕОЛОГИЯ И ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 622.235
ЭКРАНИРОВАНИЕ ВОЛН НАПРЯЖЕНИИ, ИСХОДЯЩИХ ОТ ЗАРЯДА, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНТУРНОЙ ЩЕЛИ
© 2008 г. А.К. Елоев
Для защиты тоннелей, штолен, выработок метро и других сооружений, проводимых в зажатой среде на незначительной глубине, от действия взрывных волн на законтурный массив, в контурной части свода проводится щель. Ширина щели (кщ) и ее положение (Ящ) относительно заряда центральной части выработки существенно влияют на получение конечных результатов. Контурную щель получают статическим (с использованием расширяющих составов, гидроклиньев, флюидоразрывов, гидророксплиттеров и др.) или динамическим способами (с использованием взрывчатых веществ методом предварительного щелеобразо-вания).
Стремление получить для заряда заданной мощности наибольший экранирующий эффект щели приводит к необходимости проведения исследований и расчетов определения ширины щели и глубины породного массива от заряда ВВ до контурной щели [1].
В рамках одномерной модели взрыва указанные эффекты можно оценить лишь в том случае, когда плоская щель создается от двух или трех встречных зарядов, например, с использованием невзрывчатых разрушающих составов (НРС), создающих давление в породном массиве не менее 50 МПа, а цилиндрический породный слой до заряда с ВВ в центральной части сечения принят согласно масштабу. Такая модель (рисунок), по нашему мнению, представляет интерес, а результаты расчетов могут быть использованы для количественной оценки проводимой выработки в реальных условиях.
Математическая задача формировалась следующим образом. Начальное давление после оформления щели предполагалось равным нулю, а начальная плотность постоянной. Порода хрупкая (доломит). Следовательно, при сжатии или растяжении она разрушалась, когда наибольшие касательные напряжения (ттах) достигали критического значения. Для возможно полного описания характера разрушения задавалось также критическое напряжение (скр) от используемого ВВ (в качестве ВВ принят аммонит 6ЖВ с массой заряда 0,25 кг) [2]. При достижении этого значения в породе возникали трещины. Объем трещин (Лтр) изменяется в течение времени (/).
Модель расположения зарядов НРС и ВВ в шпурах породного блока и характер образования зон после взрыва: А - зона раздавливания (Яп < Я < Я{) и В - зона радиальных трещин (Я{ < Я < Ятр)
Остановимся кратко на эффектах, которые имеют место при расширении полости с ВВ, распространении ударной волны и ее взаимодействии со щелью. При / > 0 от поверхности Яп распространяется ударная волна, во фронте которой порода сжимается. При этом касательные напряжения возрастают и достигают критического значения ттах = ткр, что приводит к хрупкому разрушению (дроблению или раздавливанию). С удалением от центра взрыва амплитуда ударной волны уменьшается. К моменту выхода к радиусу Я1 волна ослабевает настолько, что дальнейшее раздавливание на ее фронте не происходит. В дальнейшем фронт волны движется с положительной скоростью, вследствие чего напряжения, касательные к сферическим поверхностям, достигают равенства с2 = с3 = скр.
В области Я > Я1 возникают радиальные трещины. Они начинаются на поверхности с радиусом Я) и распространяются в породу в сторону увеличения Я.
Зона трещиноватости достигает Ятр. Здесь напряжение намного меньше предела прочности на разрыв (окр).
Рассмотрим вариант, когда отсутствует щель. Размеры зон дробления и трещиноватости зависят от упругих свойств породы и значений прочности на разрыв (окр). Зона радиальных трещин оконтуривает область «видимых» разрушений доломита, нарушая его сплошность и вместе с зоной сжатия составляют зону действия взрыва. Непосредственно за нею находится зона, в которой действие взрыва характеризуется напряжением волны, недостаточным для разрушения. Однако в этой зоне уровень напряжений вполне достаточен, чтобы вызвать в среде упругие деформации. Эта зона распространяется на расстоянии (для нашей модели) до 40 Лп [3], в которой упругие характеристики (Е, д) устанавливались численно. Для выявления характера изменения размеров зон дробления (А) и трещиноватости (В) от (скр) были проведены расчеты, конечные результаты которых приведены в таблице.
Зависимость размеров зон дробления (А) и трещиноватости (В) и радиуса (Я) откола от прочности на разрыв (акр) при отсутствии (а) и наличии щели (б)
ричной волны отсутствует). На границе раздела сред напряжение (о0, МПа) равно
Номер опыта Размеры зон в доломитовых породах при одиночном заряде ВВ, см Номера опытов Размеры зон в доломитовых породах при одиночном заряде ВВ, см
Ri rtp Rщ Ri rtp Ri
а) без щели б) при наличии щели*
1 16,0 48,8 - 1 16,5 41,5 58
2 16,8 61,3 - 2 18,2 43,8 60
3 20,0 64,1 - 3 20,5 41,5 62
* расстояние между шпурами с расширяющими составами для образования щели составляло от 8 до 10 см.
При достижении ударной волной поверхности щели происходит ее распад, вследствие чего обратно в среду распространяется волна разряжения. Эта волна взаимодействует с волной, распространяющейся от границы полости, что приводит к появлению в зоне интерференции разрушений откольного типа как в виде участков дробления, так и в виде трещин. Главным фактором, определяющим дробление пород, является действие растягивающих напряжений за фронтом волны сжатия, вызывающих радиальные трещины сферически симметричные.
Развитие зон разрушения с течением времени со щелью и без нее существенно разнятся (см. таблицу). Установлено, что при наличии щели ударная волна, достигая ее, распадается. Основная часть отражается, а другая переходит в воздушную область щели, которая почти останавливается. Отраженная вторичная волна распространяется по сплошному участку, а затем по зоне трещиноватости и достигает головной ударной волны (в опытах без щели образование вто-
Р ВВ® Р п^рп 2
-10-
8 (р ВВЮ+Р п^рп )
где рп - плотность породы, кг/м3; Урп - скорость распространения продольной волны в породе, м/с; рВв - плотность заряда ВВ, кг/м3; ю - скорость детонации ВВ, м/с; рпУрп - акустическая жесткость пород, кг/м3-м/с; рВВ ю - акустический импеданс, кг/м3-м/с; 8 - ускорение свободного падения, м/с2.
Для определения эффективности пространственного расположения экрана относительно заряда ВВ исследована волновая картина в зоне его действия с применением метода фотоупругости на оптически активных материалах. В качестве критерия оценки эффективности действия экрана принималось максимальное напряжение на фронте продольных и поперечных волн на границе экрана и щели. Расстояние (Лэ, м), на котором рациональное экранирование волн со средней акустической жесткостью (1^2)-107, кг/м3-(м/с) [4], должно составлять
R э <
18-10°
Р V
К п рп
5/ё,
где 0 - масса заряда ВВ, кг.
Расстояние до экрана должно соблюдаться таким, чтобы наиболее полно использовать его экранирующие свойства на погашении энергии продольных и поперечных волн. С увеличением расстояния до экрана его эффективность снижается из-за недостающего поглощения поперечных волн. С уменьшением расстояния поглощение волн напряжений в фазе волн сжатия и растяжения будет более эффективным.
Экспериментально установлено, что коэффициент разрыхления взорванной массы центральной части сечения снижается с 1,35-1,45 до 1,14-1,16, что связано с более эффективной энергией взрыва.
Радиус энергии сжатия (Лсж, м) [4]
R сж = 0,0б23Ппр©,
где Ппр - показатель простреливания пород (для доломита, известняка, гранита, сланцев Ппр = 4-7).
По замерам Лсж составляет не более 20 см.
Радиус зоны трещиноватости (Л^, м) подсчитыва-ется по формуле
Л тр = 19К трЛ 0,
где Ктр - коэффициент трещиноватости (для скальных пород Ктр равен 0,5); Л0 - радиус заряда, м [3, 5]
Л 0 = 0,063© / р вв .
В упругом приближении на границе раздела «порода - щель», имеющих, соответственно, акустическую жесткость рпУрп и р2Ур2, напряжение на фронте отраженной волны в зависимости от напряжения на фронте ударной волны (сотр, МПа) [6]
5
СТ отр = СТ 0
{ Р Ли -Р 2Vp2 ^
Р nVpn +Р 2 V
р2
а на фронте волны, преломленной во вторую среду (Спр, МПа)
2Р 2VP2
СТ ир = СТ 0-
(Рп^рп +Р 2^) Радиус зоны активных трещин (Яь м) [6]
R, < 0,
Р V
I г Г рп
где VV - скорость волн Релея при распространении роста трещин, м/с.
В работе [7] установлено, что предельным значением равномерного и устойчивого распространения трещин с постоянной скоростью является скорость волн Релея (V,/, м/с)
Применение предложенного метода, по нашим расчетам, позволит снизить себестоимость проходческих работ на 10-12 %, повысить производительность труда до 15 %, а также сохранять контурный массив выработок в гладком состоянии и повысить экологическую чистоту окружающей среды.
Внедрение предложенной технологии при проходке выработок на незначительной глубине даст экономический эффект в размере 0,5 млн руб. в год.
Взрывание с экранированием волн напряжений может быть использовано при проведении выработок (тоннелей, метро, штолен и т.д.) на незначительной глубине в трещиноватых и нарушенных породах для сохранения кровли (в этом случае законтурные объемы выемки снижаются до 20 %); оконтуривание камер, стволов и других наземных и подземных сооружений для снижения сейсмического действия.
^ = 0,92 Ш-МV , ^ ' \ 2(1 -ц) рп'
где ц - коэффициент Пуассона.
Регулирование параметров отраженных волн достигается в результате изменения граничных условий на внешнем контуре разрушения, что основано на принципе отражения волн от границы раздела по законам геометрической акустики.
Экранирование энергии волн напряжений с использованием контурной щели - один из путей изменения граничных условий на внутреннем контуре разрушения. Опытами установлено, что оформленная щель по контуру свода служит экраном от окружающего массива. Использование щели позволяет отразить в сторону экранированного массива до 75 % (6940-7000 МПа) всей энергии волны (9900 МПа), преобразуя их в волну растяжения и лишь 8-10 % (780-850 МПа) энергии волны проходит через экран, не оказывая существенного влияния на законтурный массив. Ширина щели не должна превышать возможные смещения пород при взрыве на внутреннем контуре разрушения, т.е. должна быть не менее 2 см.
Литература
1. Быченков В.А., Гаджиева В.В., Куропатенко В.Ф. Влияние положения и ширины щели на количество горной породы, раздробленное при взрыве // Физ.-техн. пробл. разр. полез. ископ. 1973. № 2. С. 53-58.
2. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышлен-
ные взрывчатые вещества. М., 1973.
3. Юревич Г.Г., Беляков В.Д., Севостьянов Б.Н. Охрана горных выработок от воздействия взрывов. М., 1972.
4. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М., 1976.
5. Таранов П.Я., Гудзь А.Г. Разрушение горных пород взрывом. М., 1976.
6. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М., 1982.
7. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М., 1974.
ООО «Стройкомплект» РСО-Алания
25 сентября 2007 г
