CC BY
50
рошей сыпучестью и высокой физической стабильностью, нет каких-либо ограничений для заряжания им на открытых работах сухих скважин взамен граммонита 79/21. В результате на железорудных карьерах Украины можно заменить игда-нитом ИВД-5 до 20 % общего количества используемого ВВ. Но большая часть скважин в железорудных карьерах (до 80 %) в большей или меньшей степени обводнены, и для
их заряжания обычно используют весьма дорогостоящие водоустойчивые ВВ. Нами разработана технология заряжания обводненных скважин дешевыми неводоустойчивыми сыпучими ВВ, в том числе игда-
1. Коростелев М.Н., Жуков С.А., Сорокопуд А.В. Причины самопроизвольных взрывов амми-ачно-селитренных взрывчатых веществ и пути их предотвращения. Сб. научных трудов, Кривой Рог, НИГРИ, 1995.
2. Додух В.Г., Старшинов А.В., Черниловский А.М., и др. Влияние типа и свойств аммиачной селитры на взрывчатые характеристики сыпучих смесевых ВВ. - М. Горный журнал, 2003, № 4 - 5.
нитом ИВД-5, с использованием изоляционных полиэтиленовых рукавов, в которые ВВ подается с помощью пневмозарядчиков типа МЗС [5].
Выводы
Новое простейшее взрывчатое вещество игданит высокого давления ИВД-5, обладая высокой физической стабильностью и имея близкие с граммонитом 79/21 показатели взрыва, но в 2 - 2,5 раза дешевле его и более экологически безопаснее, является одним из наиболее перспективных взрывчатых веществ и рекомендуется для широкого применения на горнодобывающих предприятиях как с подземным, так и с открытым способом разработки.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Римарчук Б.И., Шварцер В.Я. и др. Патент Украины на изобретение № 33544.
4. Ефремов Э.И., Римарчук Б.И., Дробин Г.Ф., и др. Новое простейшее ВВ - игданит высокого давления (ИВД-5). Металлургическая и горнорудная промышленность - 2001, № 6.
5. Римарчук Б.И., Шварцер В.А. и др. Патент Украины на изобретение № 33978А.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Римарчук Б.И., Шварцер В.Я. - ГПИ «Кривбасспроект», г. Кривой Рог,
Прилипенко В.Д., Прилипенко Е.Д., Дробот В.А., Коростелев М.Н. - ЗАО «ВТНПФ «КОЛО», г. Кривой Рог.
'S'-
УДК 622.235 С. В. Цирель
© С.В. Цирель, 2005
ЕЩЕ РАЗ О ЗАВИСИМОСТИ КРУПНОСТИ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ОТ ДИАМЕТРА ЗАРЯДА
Семинар № 3
Одним из важнейших параметров буровзрывных работ является диаметр зарядов ВВ. В первую очередь, тенденции изменений применяемых диаметров зарядов зависят от тенденций развития буровой техники, стоимости бурения одного метра шпура или скважины и одного кубического метра их объема. Однако немалое влияние и на запросы (закупки) горной промышленности и на тенденции развития буровой техники оказывают результаты отбойки при разных диаметрах зарядов ВВ.
Надо отметить, что на протяжении последних десятилетий не существовало единой тенденции изменения диаметров шпуров и скважин. Легче всего меняющиеся тенденции проследить на примере открытых горных работ. В годы преобладания ударно-канатного бурения преобладали большие диаметры скважин (до 300400 мм). Переход на более совершенные способы бурения привел к уменьшению диаметров (до 90-150 мм), однако доминирование шарошечного бурения постепенно изменило тенденцию и к середине 80-х годов повсеместно стали преобладать шарошечные станки СБШ с диаметрами коронок 214 и 243 мм, а при применении огневых расширителей скважин диаметры зарядов доходили до 350-400 мм и более. Росту диаметров зарядов также способствовал постепенный переход на малочувствительные ВВ местного приготовления, оптимальный режим детонации которых достигается лишь в скважинах большого диаметра. Тем не менее, рост диаметров зарядов вел к увеличению среднего размера кусков разрушенной массы, росту удельных расходов ВВ и, соответственно, вредных последствий взрывных работ. Поэтому, начиная с середины 80-тых начинает формироваться противоположная тенденция снижения диаметров зарядов.
Ее развитию способствуют не только возрастающие требования к качеству дробления горной массы, но также развитие буровой техники (например, станков с погружными гидроударниками) и новых более чувствительных ВВ местного приготовления (эмулиты, эмуланы, ЛМ-БО на основе пористой селитры и т.д.).
В то же время и эту тенденцию, охватившую БВР, как на открытых, так и на подземных работ, нельзя считать окончательной. Успешные опыты применения зарядов большого диаметра на рудниках Сибири [1, 2] снова ставят вопрос об оптимальном диаметре зарядов ВВ. И хотя, как известно, "первая ласточка весны не делает", нельзя быть уверенным в том, что в ближайшее время не начнется новый период увеличения диаметров зарядов или хотя бы их диверсификации.
Все эти сложные меняющиеся тенденции, противоречивые результаты отбойки на разных рудниках, шахтах, карьерах и разрезах показывают, насколько важен и сложен вопрос об влиянии диаметра заряда ВВ на дробление. В настоящей статье предлагается подход к оценке влияния диаметра на степень дробления, основанный на развиваемом автором представлении о дроблении как сложном вязком диссипативном процессе, зависящем как от скоростей деформаций и длительности нагружения, так и от структуры породы.
Прежде, чем говорить об оценках разрушений, необходимо определить, какой смысл вкладывается в это слово. Если использовать понятия, принятые в механике конструкционных материалов, то обычный горный массив является уже разрушенным. Участки горного массива, в которых можно найти существенное количество блоков объемом в несколько кубических метров, не содержащих видимых трещин, столь редки, что их принято на-
зывать месторождениями блочного камня. Но даже у образцов горных пород, в которых нет видимых трещин, предел прочности на растяжение [ср] на порядок и более меньше предела прочности на сжатие [осж], что указывает на наличие микротрещин. Соответственно и понятие разрушения для горных пород отличается от понятия разрушения для конструкционных материалов. Точнее говоря, в разных ситуациях словом "разрушение" обозначаются различные состояния.
Рассмотрим две крайние ситуации. Первая из них заключается в том, что малотрещиноватый блок горной породы с помощью пороховых зарядов разбит на несколько кусков. Вторая - в глубоком зажиме взорвано несколько шпуровых зарядов, порода почти не сместилась, зияющих трещин на поверхности не видно, однако взорванная порода поддается выемке, а при повторном нагружении - разлетится на мелкие куски. Более естественно слово "разрушение" использовать для первой ситуации, однако во второй - изменения состояния массива и количество трещин существенно больше. Для того, чтобы различать разные типы разрушения, разделим понятия разрушения и дробления.
Под разрушением будет пониматься явное нарушение сплошности объекта, а под дроблением - множественное трещи-нообразование, пусть даже не доведенное до конца. Таким образом, оконное стекло, разбитое на два куска, является разрушенным, но не раздробленным, а триплекс, покрытый сетью трещин, - раздробленным, но не разрушенным; оконное стекло, разбитое на мелкие осколки, - и разрушенным и раздробленным. В этом смысле блочный горный массив является раздробленным, но не разрушенным. Конечно, нельзя сказать точно, начиная с какого количества осколков - двух, трех, четырех и т. д. - разрушение переходит в дробление, но в большинстве ситуаций их можно различить. Используя терминологию, принятую в практике взрывных работ, можно сказать, что от разрушающего действия
зависит качество проработки подошвы, а от дробящего - качество дробления.
Расчеты разрушения, как правило, базируются на геометрическом подобии волн напряжений и менее выраженном геометрическом подобии размеров зон разрушения; хотя для получения реалистических оценок, как правило, требуются "обратные пересчеты" - по фактическим разрушениям и расчетным значениям напряжений определяются условные пределы прочности, и с их помощью производятся расчеты других параметров взрывных работ. Много сложнее обстоит дело с оценками среднего размера кусков в разрушенной массе йг и степени дробления 1^ = ё0 / йг - отношения средних размеров блоков в массиве и разрушенной массе внутри зон разрушения. Для того, чтобы критерий дробления мог использоваться для инженерных расчетов в широком диапазоне изменения условий взрывания, он должен учитывать целый ряд экспериментальных фактов, связанных с масштабным эффектом дробления (в разных условиях средний размер осколков пропорциона-
лен диаметру заряда йъ, а?30,5 или асимптотически приближается к предельному значению - см. ниже); зональностью дробления; сложной зависимостью степени дробления от длительности воздействия и бризантности заряда ВВ; накоплением дробящего действия и т. д.
Существующие методы расчета среднего размера осколков при взрывном разрушении можно разделить на три группы. К первой группе отнесем эмпирические формулы, в основе которых лежат корреляционные связи между параметрами БВР, характеристиками взрываемой горной породы и йе, Эти формулы, естественно, не претендуют на соответствие всем перечисленным выше закономерностям, но дают возможность получить конкретную численную оценку ёе в технологически важном диапазоне значений параметров заложения зарядов ВВ. Ко второй группе отнесем полуэм-пирические методы, опирающиеся с од-
ной стороны на общие закономерности (чаще всего законы дробления), а с другой - на опыт ведения взрывных работ на одном месторождении или группе месторождений. К третьей группе отнесем теоретические методики, учитывающие механизм дробящего действия взрыва и характеристики взрывного нагружения. Подробный анализ показывает, что все существующие методы оценки дробящего действия взрыва как теоретические, так и эмпирические удовлетворяют только части из известных экспериментальных зависимостей.
Поэтому попытаемся построить новую характеристику НДС, в максимальной степени удовлетворяющую известным закономерностям и учитывающую структурные особенности горного массива. Масштабный эффект дробления, зависимость 1(-г от времени воздействия, а также данные работ [3, 4] указывают на влияние скорости деформации. Подобное явление известно также при быстром освобождении образца от нагрузки - степень дробления тем сильнее, чем больше исходная деформация и чем выше скорость снятия нагрузки [5, 6]. Предлагается два способа введения характеристики дробления.
Первый основной способ опирается на предположение, что дробление - это вязкий диссипативный процесс, и напряжения, отвечающие за процесс дробления, линейным образом связаны со скоростями деформации. Тогда уравнение, описывающее процесс дроб-ления, аналогично уравнению Навье-Стокса, а затраты энергии на дробление определяются диссипативной фун-кцией для линейно-вязкой среды (для разделения разрушения сдвигом и отрывом будем использовать форму записи диссипативной функции со второй вязкостью 12 [7])
Е = Ер + Есдв =^р+&2 + е3)2 Л +
Р
+ — - ¿2 )2 + (2 - ¿2 )2 (( - ¿3 )2 ] Ж
Р 0
где Е - характеристика дробления; Ер -характеризует сброс объемной деформации; Е:де - характеризует сдвиговые деформации; е - главные скорости деформации; т - длительность действия напряжений, ¡л1 и 12 - первая и вторая вязкости. В работе И.В. Белинского, А.В. Михалюка и Б.Д. Христофорова [8] установлено, что в очень широком диапазоне изменения времени действия нагрузок t = 10-6 - 1018 с вязкость 1 пропорциональна ему. Анализ этих данных показывает, что линейность сохраняется и при замене t на размер структурных элементов. Сходные зависимости 1 от размера структурных элементов известны также для некоторых полимеров и биологических препаратов [9, 10]. Тогда, чем больше структурные элементы, тем больше диссипация энергии и тем меньшая энергия необходима для прорастания трещин между ними. Исходя из этих представлений можно определить средний размер осколков:
Е = I
кр { (¿1 + ¿2 + ¿3) dt +
0
+кСдВ {[(¿1 - ¿2 )2 +(2 - ¿2 )2 (1 - ¿3 )2 ] Ж
Едр = к.
(2)
1 - ±
уь а0
где к3 - поверхностная энергоемкость разрушения; I - размер структурных элементов; Ь - расстояние между ними; Ь /1 ~ К ~ 6 - 10.
Второй способ связан с предложенным в книге В.Н. Родионова, И.А. Сизова и
В.М. Цветкова [11] уравнением, описывающие избыточные напряжения, возникающие на неоднородностях. Одна из возможных интерпретаций природы возникновения избыточных напряжений при
г
динамических нагрузках заключается в действии волн, отраженных от трещин. Деформации и разрушения, вызванные этими волнами, происходят с некоторой задержкой, определяемой формой и длиной падающей волны, что может восприниматься как проявление вязкости [12]. Можно показать, что при нормальном падении волны на трещину и постоянстве скорости деформации выражение для амплитуды фазы растяжения отраженной от трещины волны аналогично выражению для избыточных напряжений. В рамках данной интерпретации дробление за счет действия избыточных напряжений практически полностью аналогично "обычному" дроблению, а отрицательное влияние трещин и неоднородностей на дробление (ослабление волн напряжений) и положительное (трещины - источники нового трещинообразования) являются двумя сторонами одного процесса. Если бы существовали эффективные способы управления структурой массива (некоторые возможности дает многократное нагружение), то имело бы смысл говорить об оптимальной структуре массива для дробления.
Данный подход к оценке дробления был проверен с помощью шести групп экспериментальных данных, включая такие тонкие характеристики как характер скорость распространения фронта дробления и изменения степени дробления с удалением от заряда. В частности данный подход показывает причины хорошего дробления при сложных формах зарядов ВВ [13] - с одной стороны, высокочастотные составляющие сложных форм волн обеспечивают высокие скорости деформации ё , с другой стороны, при использовании таких зарядов велика суммарная длительность действия напряжений т.
Рассмотрим подробнее в рамках данного подхода масштабный эффект дробления. Как указывалось выше, масштабный эффект относится к числу самых сложных закономерностей дробления, и хуже всего учитывается существующими
критериями дробления. Дело в том, что, исходя из самых разных представлений о природе дробления, наиболее логичными представляются две ситуации.
Первая ситуация - средний размер осколков йе не зависит от размеров заряда (например, диаметра сферического заряда а3). В этом случае расход энергии на дробление полностью определяется максимальными напряжениями, максимальными деформациями, энергией упругого деформирования, удельным расходом ВВ и т. д.
Вторая - средний размер осколков ае прямо пропорционально й3 (полное геометрическое подобие дробления при разных размерах зарядов), т.е. картина трещин не зависит от масштаба, а дробление определяется скоростями деформации, градиентами деформаций или напряжений и т. д. С учетом временной зависимости прочности, например формулы
С.Н. Журкова, можно было бы ожидать противоположной (хотя и весьма слабой) зависимости типа йе = /(ё3) (А - В 1п й3) или йе = ¡(й3) 1п-к аз.
Все перечисленные зависимости действительно имеют место, но чаще других в
опытах встречается зависимость йе
не согласующаяся с элементарными соображениями.
Анализ зависимости (2) показывает, что можно выделить четыре основных случая.
1. Самый простой и общий случай -малотрещиноватая ("монолитная") порода, в которой влияние размеров блоков в массиве а0 на дробление несущественно. Тогда для зарядов различных диаметров на равных относительных расстояниях от заряда:
1 1_
Vе! [
а
(3)
л
Т. е. мы приходим к наиболее общей зависимости, указанной в книгах В.М. Кузнецова [14], В.Н. Родионова [11],
Л.С. Евтерева [15] и др. В логарифмических координатах данная зависимость показана на рис. 1, а. Для примера на рис. 2, а приведены экспериментальные данные В.М. Кузнецова, построенные в координатах 1пq = 1п(0/V), 1п(йе /0>иб) ~йе/у[^3 ; из графика, что именно отношение йе / связанно однозначной (степенной) зависимостью с удельным расходом ВВ q.
2. Второй часто наблюдаемый случай -блочная порода с одним характерным размером й0 (чаще всего й0 находится в диапазоне 0,5 - 1 м); согласно (2) при взрывах в таких массивах:
2<1
4(йо)2
кй3
(4)
где кц - характеристика дробимости породы. Т.е. у больших зарядов йе с увеличением а3 асимптотически приближается к а0 (рис. 2.2.1, б). На подобную зависимость указывают множество работ, например данные [16] по крупномасштабным взрывам (рис. 2, б).
3. Третий случай - это породы, имеющие непрерывный набор характерных размеров. Естественно считать, что заряды различных диаметров отбирают свои структуры соответственно размеру зоны разрушения. Тогда при малых й3 зависимость йе от а3 приближается к линейной (рис. 2, в и 2, г). При больших й3 влияние малых неоднородностей на дробление несущественно, и случай 3 мало отличается от случаев 1 и 2. Линейная зависимость йе от а3 указывается во многих источниках, например [17, 18] (рис. 2, в).
В.Н. Мосинец для описания этих данных предлагает зависимость Же = а3105, т.е. показатель степени даже немного пре-
вышает единицу. Причины столь сильной зависимости, на наш взгляд, состоят в различии удельных расходов ВВ: для шпуровых зарядов малых диаметров, применяемых при проходке выработок, удельный расход ВВ q в несколько раз выше, чем для скважинных зарядов больших диаметров на открытых горных работах. Столь сильные различия q "за-давливают" противоположные тенденции - переход к зависимостям (3) или (4) и влияние времени нагружения. Последняя закономерность иногда отмечается при лабораторных мелкомасштабных взрывах - у зарядов очень малых диаметров снижается не только степень дробления, но и размер зоны трещино-образования. Формула В.Н. Мосинца, а также данные Л. А. Борзенкова указывают еще на одну интересную закономерность -близость отношения йе / а3 к единице на при применении цилиндрических зарядов и высоком удельном расходе ВВ. Значение коэффициента пропорциональности наш подход найти не позволяет, и причины примерного совпадения йе и й3 в этой ситуации требуют особых исследований.
4. Четвертый случай - это дискретный набор характерных размеров блоков в массиве. Согласно предлагаемому подходу, если распределение характерных размеров блоков в породе дискретно, то в несколько стертом виде ступеньки должны проявляться и на кривой зависимости йе от а3 (рис. 1, д и 1, е). Конечно, в чистом виде такой график в экспериментах получить невозможно, для этого нужно по крайней мере постоянство условий нагружения по всему разрушаемому объему, но некоторые экспериментальные подтверждения зависимостей такого вида существуют (рис. 2, г, данные Э.И. Ефремова [19]).
МАЛОТРЕЩИНОВАТАЯ
БЛОЧНАЯ ПОРОДА с1ср—с1()
ПОРОДА С НЕПРЕРЫВНЫМ НАБОРОМ СИСТЕМ ТРЕЩИН с!0 ~ сЬ
ПРИ МАЛЫХ с1Ср~с13
I п
ПОРОДА С ДИСКРЕТНЫМ НАБОРОМ СИСТЕМ ТРЕЩИН с10 • ПРИ МАЛЫХ с13 с1Ср~(13
Рис. 1. Расчетные зависимости среднего размера осколков д.е от диаметра заряда dз
Таким образом, в таких сложных средах как горные породы не существует единой общей зависимости среднего размера осколков от диаметра заряда ВВ - в породах разной структуры в разных диапазонах реализуются разные закономерности. Поэтому и выбор оптимальных диаметров заряда должен учитывать
эти закономерности наряду со стоимостью бурения, допустимыми типами ВВ и близостью скорости детонации ВВ к предельной. Кроме того, при взрывах в зажиме важную роль играет кратность
а
б
Рис. 2. Экспериментальные зависимости среднего размера осколков de от диаметра заряда dз: а -~ з (В.М. Кузнецов [14]); б - de ^ (В.В. Адушкин, А.А. Спивак [16]): 1 - взрывы хи-
мических ВВ, 2 - подземные ядерные взрывы; в - de ~ d3 (В.Н. Мосинец [17]): 1 - открытые горные работы, 2 - подземные очистные работы, 3 - проходка выработок; г - ступенчатое изменение de (Э.И. Ефремов [19]) в лабораторных опытах и при промышленной отбойке
нагружения, согласно нашим расчетам и экспериментальным данным [20] уменьшение среднего размера кусков
при многократном нагружении пропор- пени 0,4-0,5. ционально кратности нагружения в сте-
1. Курленя М.В., Еременко А.А., Цинкер Л.М., Шрепп Б.В. Технологические проблемы разработки железорудных месторождений Сибири. Новосибирск: Наука, 2003.
2. Крупномасштабные взрывы на удароопасных месторождениях. Развитие циклично-
поточной технологии на карьерах // Еременко
А.А., Еременко В.А., Филиппов П.А., Викторов С.Д., Закалинский В. М., Куликов В.И., Шрепп Б.В., Машуков И.В. - Горный журнал, 2002, № 4.
3. Grady D.E. Fragmentation under impulsive stress loading // Fragmentation by Blasting.-N.Y.: Society for experimental Mechanics, 1985.
4. Liu L., Katsabanis P. Development of a continuum damage model for blasting analysis // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. \& Geomech. Abstr. - 1997.-V.24.
5. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах.- М.: Недра, 1980.
6. Grady D.E. Local inertial effects in dynamic fragmentation // J. Appl. Phys.- 1982.- V.53.
7. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том I. - М.: Наука, 1973.
8. Белинский И.В., Михалюк А.В., Христофоров Б.Д. Вязкость горных пород при деформационных процессах // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1975.- № 8.
9. Реология. Теория и приложения. - М.: ИИЛ, 1962.
10. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. - М.: Наука, 1964.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
11. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. - М.: Недра, 1986.
12. Никифоровский В.С., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел.- Новосибирск: Наука, 1979.
13. Гончаров С.А., Дремин А.И., Ершов Н.П., Каркашадзе Г. Г. Ресурсосберегающие процессы разрушения горных пород на карьерах. - М.: Изд.МГГУ, 1994.
14. Кузнецов В.М. Математические модели взрывного дела. - М.: Наука, 1977.
15. Замышляев Б.В., Евтерев Л.С. Модели динамического деформирования и разрушения грунтовых сред. -М.: Наука, 1990.
16. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. - М.: Недра, 1993.
17. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. - М.: Недра, 1976.
18. Макарьев В.П., Нефедов М.А., Виноградов Ю.И., Деев Е.А. Измерение сейсмовзрывных волн в массиве при взрыве заряда ВВ постоянной энергии и переменного диаметра // Взрывное дело.
- № 85/42, - М.: Недра, 1983.
19. Основы теории и методы взрывного дробления горных пород./ Э.И. Ефремов,
В.С. Кравцов, Н.И. Мячина и др. - Киев: Наукова думка, 1979.
20. Клевцов И.В. Исследование эффективности разрушения в зависимости от кратности импульсных нагрузок // Взрывное дело. - № 70/27,
- М.: Недра, 1971.
— Коротко об авторах
Цирель С.В. - доктор технических наук, главный научный сотрудник ВНИМИ.
© А. А. Шубин, 2005
