CC BY
48
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА (99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 (29.01.99
А.И. Глушко,
Национальная горная академия Украины
КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА КАРЬЕРАХ
Развитие технологий изготовления и применения взрывчатых веществ (ВВ) в условиях новых экономических отношений идет по пути снижения стоимости и повышения безопасности выполнения работ.
Одним из перспективных направлений развития ВВ является разработка водосодержащих взрывчатых веществ (ВВВ). Водосодержащие ВВ по технологическим особенностям приготовления разделены на группы [2].Выделяют следующие группы водосодержащих ВВ: водонаполнимые (грану-лотол, алюмотол); водосовместимые (акватол М-15, граммониты 30/70,акватол 65/35с); водосодержащие (акватол АВ, акватол МГ, акватол ЗМ); взвеси (состав 65/35 и 80/20); растворосодержащие (ифзаниты: Т-20, Т-60, Т-80,
ТА.15/10, ТА-15/15, А-15, А-30).В данных группах не нашли отражение эмульсионные ВВ, которые относят к водосодержащим ВВ и на момент предложения данной классификации они ещё не получили должного развития.
На первых этапах развития водосодержащие ВВ обладали целым рядом недостатков: высокая стоимость; несовершенные рецеп-
туры и технологии приготовления и применения; отсутствие средств механизации; низкая водоустойчивость. К достоинствам ВВВ относят высокую концентрация энергии и лучшую водоустойчивость в сравнении с граммонитами и смесями типа АС-ДТ.
Применение водосодержащих ВВ способствует улучшению экологической обстановки на карьерах и в близи их, это обусловлено высокой степенью завершения химических реакций (до 93-95%),при детонации зарядов водосодержащих ВВ, а гранулированных ВВ порядка 70%.
Для повышения чувствительности к инициирующему импульсу в состав водосодержащих ВВ типа акватолов, так и граммониты: 79/21,50/50, 30/70,вводят тротил, вещество вызывающее много заболеваний, а при подрыве грам-монитов в атмосферу карьеров выбрасывается большое количество вредных газов (СО2, N0, N02) и сажа. Учитывая концепцию развития взрывных работ в направлении повышения безопасности и экологичности, логичным является уменьшение применения тротилосодержащих ВВ на горных предприятиях с последующим перехо-
дом на применение более безопасных и дешёвых ВВ, не содержащих тротил.
Рассматривая перечни рекомендованных к применению на открытых горных работах взрывчатых веществ 1-го класса, начиная с 1971 по настоящее время, ассортимент мало изменился. Из большого перечня водосодержащих ВВ широко применяются только горячельющиеся акватолы марок Т-20Г и 15,10, с соответствующим содержанием тротила [6]. Широкое применение акватолов обусловлено наличием средств механизации - зарядно-доставоч-ных машин и пунктов приготовления компонентов вблизи мест ведения взрывных работ, а также их относительно невысокой стоимостью. В перечне приводится эмульсионное ВВ марки порэмит, но не рекомендованное к применению на карьерах Украины, из-за несчастного случая, происшедшего на пункте приготовления эмульсии порэмита Калиновского химического завода 1 ноября 1990 года в г. Асбест Свердловской области.
В настоящее время на Украине ведутся работы по созданию новых эмульсионных ВВ. Допущены к применению на карьерах гелеобразные ЭВВ типа товекс, изготавливаемое на химзаводе г. Павлоград в патронируемом виде. На данный момент применение машины типа акватол для заряжания скважин гелеобразными ВВ невозможно, т.к. гелеобразные ВВ обладают высокой вязкостью и не перекачиваются. Существует необходимость создания специальной зарядной машины для данного типа ВВ. К недостаткам данного ВВ можно отнести сложность рецептуры (до 15 компонентов), высокую стоимость, наличие в составе
Рис.1. Классификация установок для изготовления ВВ в близи мест ведения взрывных работ
Рис.2. Технология получения ЭВВ марки Украинит-Д
1 - резервуар для эмульгатора; 2 - поддоны с аммиачной и кальциевой селитрами; 3 - подъемник для поддонов с селитрой; 4 - бункер; 5 - реактор растворения селитр; 6 - насосы для перекачивания окислителя, эмульгатора, эмульсии; 7 - емкости для дозирования окислителя и эмульгатора; 8 - аппарат получения эмульсии; 9 -машина типа Акватол-1у или Акватол-3
химических компонентов, непро-изводимых на данный момент в Украине.
В основу классификации положено - мобильность установок и временной фактор изготовления ВВ на одном месте.
К стационарным установкам относим пункты для приготовления окислителя для ВВ типа ГЛТ, которые находятся вблизи мест больших объемов взрывных работ (Кривбассвзрывпром, Запорожвз-рывпром и т.д.). Применяемое на карьерах ВВ может быть изготовлено с помощью установок, приведенных на рис.1., за пределами карьера - на стационарной постоянной или передвижной установке, а также и на территории карьера.
Срок работы на одном месте передвижной установки, расположенной в пределах карьера, обуславливается развитием горных работ, выполняемых в карьере, т.е. расположением её т.е. на нерабочем борту. Наличие передвижных установок подразумевает концентрацию больших объемов взрывных работ на данном горном предприятии.
Мобильные установки перемещаются перед каждым массовым взрывом и работают на взрываемом блоке, а ВВ производится на блоке или в скважине (непосредственно во время заряжания или через промежуток времени).
Эмульсионное ВВ марки Ук-раинит-Д изготавливается на пункте приготовления окислителя для ГЛТ ПП «Запорожвзрывпром» по схеме, изложенной на рис.2. Поставка компонентов осуществляется в мешках (аммиачная и кальциевая селитры, вспученный перлит) и бочках (эмульгатор). При поставке сыпучих компонентов насыпью необходимо дозирование на стадии подготовки.
На пункте дополнительно установлены емкости для дозирования эмульгатора и окислителя и емкости с насосом для подачи эмульгатора в дозирующую емкость. Технология получения эмульсии на данном оборудовании относится к цикличной, т.к. в емкость получения эмульсии окислитель и эмульгатор подаются периодически, через определенные интервалы времени, что является недостатком.
Взрывчатое вещество получаем на взрываемом блоке, после смешения эмульсии с сенсибилизатором в виде вспученного перлита.
По данной технологии на пункте приготовления при отсутствии средств автоматизации труда можно изготовить от 30 до 40 т эмульсии ЭВВ, что превосходит по производительности установки разработанные в ГосНИИ «Кристалл»^].
Промывка оборудования после приготовления ЭВВ осуществля-
ется с применением водного раствора, экологически безопасного и эффективного моющегося средства ДХТИ-НТ, в обычной не горячей воде. Загрязненная вода аккумулируется в отстойнике, где спустя несколько суток эмульсия полностью разрушится, разделившись на водную фазу - водный раствор аммиачной и кальциевой селитр и маслянистую - эмульгатор с вспученным перлитом. Водный раствор можно использовать для удобрения, а маслянистую фазу, собранную с поверхности отстойника - уничтожать сжиганием.
Смеси типа АС-ДТ, где в качестве горючего используется эмульсия обратного типа, обладают высокой взрывной мощностью и водоустойчивостью, чем обычные смеси АС-ДТ. Взрывные характеристики эмульсионного ВВ марки Украинит-Д, как и ВВ данного типа можно изменить путем аэрации, введения в состав твердых веществ в виде АС, алюминия и т.д.[1].Данные составы применяются в Казахстане (Гранулит-Э), России (Гранэмиты). Работы по созданию веществ данного типа являются очень перспективными.
Учитывая опыт применения ЭВВ марки Украинит-Д на предприятии «Запорожвзрывпром», инициирование скважинных зарядов необходимо выполнять применяя два боевика, расположенных в нижней и верхней части заряда[7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глушко А.И. Выбор сенсибилизирующей добавки для эмульсионного взрывчатого вещества и исследование взрывных свойств// Высокоэнергетическая обработка материалов Сб. науч. трудов.-Днепропетровск: НГАУ-краины,1997.-СЛ41-144.
2. Демидюк Г.П., Бугайский А.Н.
Средства механизации и технологии взрывных работ с применением гранулированных веществ. -М. :Недра,-
1975.-312С.
3. Крысин Р.С., Куприн В.П., Глушко А.И. Основы рецептуры технологий приготовления и применения эмульсионного ВВ 1-го клас-са//Высокоэнергетическая обработка материалов взрывом. Сб. науч. трудов
в 2-х Т. -Днепропетровск: ГГАУкраи-ныД995.-Т.1.-С.33-37.
4. Б.Н.Кутузов Перспективные схемы механизации взрывных работ на карьерах// Взрывное дело. -М. :Недра,-1985. -№87/44.-С.70-75.
5. Современные промышленные взрывчатые вещества в России и за рубежом/Л.Н. Корнеева, Б.Н.Кутузов,
Н.И. Работинский, В.А. Со-снин//Горный журнал. -1998.№7.-С.45-50.
6. О работе предприятия «Крив-бассвзрывпром» в условиях дефицита взрывчатых материалов/В.И. Борисов, С.В. Шевченко, Е.К. Быков, А.А. Грубский//Материалы 1-ой Украинской научной конференции «Про-
мышленные взрывчатые вещества и средства их инициирования». - Шост-ка: ГосНИИХП,1995.-С.78-79.
7. Применение водосодержащих ВВ на открытых горных работах/А.Н. Ханукаев, Р.И. Бахулиев, А.В. Баянов, М.З. Иналов, А.И. Филипов//Горный журнал. -1990.№.9-С.27-30.
© А.И. Глушко
А.Е. Войтенко, д. ф-м. н., В.П. Мелихов, к.т.н.,
Национальная горная академия Украины
ГАЗО - ВЗРЫВНОЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
Измельчение твердого промышленного сырья - весьма энергоемкий технологический процесс. Так как промышленность перерабатывает большое количество сырья, причем в условиях недостатка электроэнергии, то разработка энергосберегающих технологий измельчения весьма актуальна. В рамках этого направления предложена газодетонационная мельница (ГДМ) и начата ее научнотехническая разработка [1-3].
Принцип действия Г ДМ заключается в ускорении порции кусков измельчаемого материала продуктами взрыва смеси газов (горючее и окислитель) и последующем их измельчении при ударном торможении. Отличительной особенностью ГДМ является полный отказ от использования электроэнергии для процесса измельчения; энергоносителем в данном случае является горючий газ, например, природный.
Стоимость единицы энергии, выделяющейся при сгорании при-
гии. Этот фактор обусловливает возможность создания экономически более выгодных технологий и машин для измельчения.
Ближайшими прототипами ГДМ являются струйные мельницы и установки для нанесения покрытий детонационным методом [4,5]. Анализ их конструктивных особенностей и результаты поисковых экспериментов [2], проведенных на имеющемся лабораторном газо-взрывном оборудовании кафедры горных машин, позволили авторам предложить конструктивную схему ГДМ, представленную на рисунке.
Технологический цикл работы ГДМ включает следующие основные операции: подачу заданных порций горючего газа и газа-окислителя от соответствующих магистралей или баллонов через трубопроводы 11, 12 и систему га-зонаполнения 13 в камеру сгорания 1; подачу в канал ствола из бункера 2 через дозатор 4 заданной порции измельчаемого мате-
рение порции измельчаемого материала в стволе 5; дезинтеграцию кусков этой порции при их соударении с преградой, находящейся в измельчительной секции 6. Этот цикл повторяется многократно, причем последовательность операций и синхронизация их во времени задаются системой автоматики пульта управления 10. Измельченный материал узлом разгрузки 8, включающим классификатор, разделяется на два потока. Один направляется в емкость для готового продукта 9, а второй при помощи транспортного устройства 7 направляется в бункер 2 на до-измельчение. Система охлаждения узлов ГДМ на рисунке не показана.
В соответствии с этой схемой разработана и изготовлена лабораторная установка, состоящая из узлов 1,4,5,6,8(без классификато-ра),13,14 описанной конструктивной схемы; газы по трубопроводам 11 и 12 подаются из баллонов. Объем камеры сгорания этой установки около 3 л, внутренний диаметр ствола 40 мм, масса загружаемой для измельчения порции материала 50...200 г. На этой установке ведутся исследования по определению параметров, зависимостей и оптимизации процесса газодетонационного измельчения. В качестве горючих газов используются пропан-бутан и метан, в качестве окислителя -кислород. Преграда, при соударении с которой происходит измельчение материала, изготовлена из обычной углеродистой стали.
Изучалось измельчение гранита и туфа фракций -10+7 мм и -5+3 мм, а также кварцевого песка фракции -
0,4+0,1 мм. Немногочисленные эксперименты проводились также и с другими материалами. К настоящему времени экспериментально установлено [6], что:
1). В результате однократного соударения гранита с преградой средний диаметр куска уменьшается с 4 мм до 0,19...0,24 мм при скорости соударения 160...190 м/с, а кварцевого песка - соответственно с 0,26 мм до 0,1 мм при скорости около 230 м/с.
2). В исследованном диапазоне скоростей соударения измельчаемого материала с мишенью (80...250 м/с) увеличение скорости удара материала в два раза повышает выход мелких фракций в
2... 3 раза;
3). Уменьшение скорости вылета кусков измельчаемого материала из ствола (при фиксированных его длине и соотношении объемов камеры сгорания и ствола), ведет к уменьшению КПД взрыва. Это объясняется тем, что при увеличении времени разгона возрастает и та часть энергии взрыва, которая в виде тепла поглощается стенками ствола и камеры сгорания;
3). Чем крупнее куски исходного материала, тем большая доля энергии взрыва не используется для ускорения снаряда, т.к. уносится с продуктами взрыва, обгоняющими снаряд за счет его газопроницаемости;
В настоящее время лабораторная установка модернизируется и на ней продолжается систематическое экспериментальное определение характеристик газодетонационного способа измельчения различных материалов, прежде всего КПД установки и условий передачи энергии взрыва газовой смеси измельчаемому материалу. Ожидаемая скорострельность промышленных газодетонационных мельниц может достичь 10...100 выстрелов в минуту, в зависимости от диаметра ствола. При диаметре ствола более 100 мм возможно использование более дешевых компонентов газовой смеси: природного газа в качестве горючего и воздуха в качестве окислителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.Е. Войтенко. Перспектива применения детонационно-газового измельчения / Международная конференция «Современные пути разви-
тия горного оборудования и технологий переработки минерального сырья» / Сборник тезисов докладов. -Днепропетровск, 1996. - С.35.
2. А.Е. Войтенко, В.П. Мелихов. Эксперимент по газо-детонационному измельчению минерального сырья // Металлургическая и горнорудная промышленность. - Днепропетровск, 1977. - №1 (специальный выпуск). -С.40-41.
3. Войтенко А.Е., Ганкевич В.Ф.,
Мелихов В.П. Принцип действия и конструктивная схема газо-детона-ционной мельницы // Международная конференция «Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья», посвященная 60-летию кафедры горных машин Национальной горной академии Украины / Сборник тезисов докладов -
Днепропетровск, 1997.- С.28.
4. Акунов В.И. Струйные мельницы. - М.: Машиностроение, 1967. - 132с.
5. Зверев А.И., Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А. Детонационное нанесение покрытий. - Л.: Судостроение, 1979. - 232с.
6. Войтенко А.Е., Ганкевич В.Ф.,
Мелихов В.П. Экспериментальные исследования газо-детонационного измельчения // Научно-технический сборник «Обогащение полезных
ископаемых». - Выпуск 1 (42). -НГАУ, Днепропетровск, 1998.
© А.Е. Войтенко, В.П. Мелихов
А.Е. Войтенко, д.ф.-м. н., Н.П. Новоселов,
Национальная горная академия Украины
РАЗРУШЕНИЕ РЕЗОНАНСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Общая концепция магниторезонансного способа дезинтеграции твердого тела включает два основные положения: 1. Механическое воздействие на разрушаемое твердое тело производится с помощью внешнего переменного магнитного поля с использованием эффекта магнитострикции 2. Для разрушения используется резонансная раскачка одного из собственных колебаний обрабатываемого тела.
Магнитострикция - свойство некоторых веществ изменять свои
размеры в магнитном по-ле.Внешнее переменное магнитное поле может быть средством для механического нагружения твердого тела, в частности, лля раскачки его собственных колебаний, если в его состав входят магнито-стрикционно активные компоненты. К телам такого класса среди промышленных материалов относятся ферриты, а среди горных пород, например, магнетитовые кварциты, в состав которых входит магнетит, являющийся выраженным магнитностриктором.
Установлено, что воздействие переменным магнитным полем на магнетитовые кварциты приводит к их разупрочнению в такой степени, что энергоемкость последующего механического измельчения уменьшается на ~ 10% [1,2]. Механизм этого явления, повиди-мому, заключается в том, что при магнитострикции зерен магнетита, вкрапленных в кварцевую матрицу, в области вокруг этих зерен возникают зоны переменных механических нагрузок, интенсивность которых достаточна для
увеличения существовавших и создания новых микротрещин и других дефектов кристаллической решетки. Какие-либо резонансные эффекты в ранних опытах по разупрочнению железной руды не использовались.
Использование резонансных явлений позволяет надеяться на увеличение эффекта воздействия магнитной обработки. Любое
твердое тело является механическим резонатором, т.е. имеет набор собственных частот механических (акустических) колебаний различного типа. При наиболее распространенных способах разрушения (сжатие, истирание, ударная волна, термоупругие напряжения и т.д.) указанное свойство твердых тел не используется. Полезным образом его можно использовать, если внешнее воздействие является периодическим и частота его совпадает с одной из собственных частот разрушаемого тела. В последние годы резонансные режимы разрушения начинают эффективно исследоваться [3]. В научно-технической литературе упоминается разрушение с помощью маг-нитострикционных излучателей ультразвука. Добротность колебаний резонаторов из магнетитовых кварцитов довольно велика Q =
150...350, что приводит к многократному увеличению мощности колебаний в условиях резонанса.
Приведем некоторые расчетные данные об условиях магнитно-резонансного разрушения твердых тел. Акустические колебания в твердом теле описываются волновым уравнением д2 p д2 p д2 p 1 д2 p
дx2 дy2 дz2 c2 дг2 (1)
где х,у^ - пространственные координаты, г - время, р - давление, С - скорость звуковых волн ( продольных или поперечных). Частотный спектр собственных колебаний и собственные функции можно определить, если найти решение волнового уравнения в виде разделяющихся переменных .
В качестве примера рассмотрим простейший случай продоль-
ных колебаний плоской пластины толщиной l . Собственные круговые частоты ю и собственные функции p,(x) получаем в таком виде
с п
Ю = п—n;ря(x) = pM sin—nx;n = 1,2,3...
(2)
где Р.о - амплитуда давления.
Плотность потенциальной энергии в области разрушения в момент разрушения равна p
2E (3)
где Е - модуль Юнга, Р - предельное напряжение на растяжение.
Средняя плотность энергии Е
в резонаторе в два раза меньше
максимальной
p2 nn p2 1
• -sin -xdx = —— = —Е (4)
. l 4E 2 • (4)
Полная энергия механических колебаний образца при разрушении W равна
Р Sl
4E (5)
где V~Sl - обьем образца, S - его поперечное сечение.
Мощность источника, который поддерживает стационарные механические резонансные колебания np cSn • (6)
- i г
є _ — I sin l -0 2E
W = єV _■
W
М = —га = -
е ■ 4EQ
где е - добротность механического резонатора.
При резонансной раскачке собственных механических колебаний образца растяжения и сжатия чередуются, так что разрушение носит, по-видимому, усталостный характер.
Однако, поскольку нет точных данных ни о
кварцитов при Р=(3...20)10 Па, измеренной добротности Q = 250 , для основной моды колебаний n = 1 получаем оценку достаточной для разрушения удельной ( на 1 см2 поперечного сечения) мощности возбуждения (мощности акустической эмиссии зерен магнетита) M/S = =(0,2...9) Вт/см2.
Естественно предположить , что мощность акустического излучения зерен магнетита пропорциональна электрической мощности в индукторе М, в котором находится образец.
M = KM (7)
где К имеет смысл коэффициента передачи мощности от формы электрической к форме акустической. Коэффициент К надлежит в дальнейшем определить расчетно или экспериментально.
Начаты работы по экспериментальному определению возможности и условий разрушения твердых тел магнито-резонансным методом [2]. Лабораторная установка включает электрический генератор с регулируемой частотой и резонансный электрический контур, в состав которого входит соленоид, создающий переменное магнитное поле в рабочем объеме. В таблице приведены результаты магнитно-резонансного разрушения ферритовых образцов сечением 1 см2.
Аналогичный эффект разрушения в описываемых условиях наблюдался также на некоторых образцах горной породы (Криворожские магнетитовые кварциты). Из обработанных в магнитном поле десяти образцов горной
магнетитовых
Таблица
Магнитно-резонансное разрушение ферритовых образцов
ни об усталостной прочности магнетитовых кварцитов, то для получения верхней оценки номер опыта длина исходного стержня, мм длина образовавшихся фрагментов, мм
i 17З 102; 71
мощности в качестве Р 2 i72 97; 75
взята статическая проч- З 172 104; 6s
ность на растяжение 4 155 S7; 6s
(прочность на сжатие 5 90 б7; 2З
больше прочности на рас- б S2 45; З7
тяжение). 7 75 44; ЗІ
породы разрушились на фрагменты только два образца, в условиях, при которых разрушались все ферритовые образцы. Этот факт свидетельствует, во-первых, о принципиальной возможности магнитно-резонансного разрушения горных пород, а, во-вторых, о большей трудности разрушения магнетитовых кварцитов по сравнению с ферритами. Исследование условий маг-
нитно-резонансного разрушения искусственных материалов и горных пород, обладающих маг-нитострикцией, продолжается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пивняк Г.Г., Баранов Е.Г.,Выпанасенко С.И.,Войтенко А.Е., Докучаева И.Н. Способ обработки материалов. Патент СССР. N 1811421 В01С 19/18. Бюлл. Откры-
тия. Изобретения. 1993, N 15.
2. Войтенко А.Е., Кульчицкий
А.В., Новоселов Н.П. Разупрочняю-щее воздействие магнитного поля на магнитострикционно активные материалы. Вибрации в технике и технологии. 1998, N 3(7), с 69-71.
3..Вероман В.Ю. Резонансные методы дезинтеграции интеркристаллит-ных структур гиперударными волнами. Обогащение руд, 1996, N 4, с 3-7.
© А.Е. Войтенко, Н.П. Новоселов
Э.И. Ефремов, В.Д. Петренко,
ИГТМ НАН Украины
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ РАЗРУШЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОРОД ПРИ ВЗРЫВЕ
Процессы взрывного разрушения и перемещения пород после окончания разрушения и детонации взрывчатого вещества (ВВ) в поперечном сечении удлиненного заряда, имеющего преимущественно цилиндрическую форму, можно разделить на несколько фаз. В первой фазе происходит движение со сверхзвуковой скоростью в радиальном направлении ударной волны (УВ) и всестороннее сжатие объема породы вокруг заряда. При этом за счет большого давления горная порода сильно измельчается. Как установлено экспериментальными исследованиями, выполненными в ИГТМ НАН Украины [1,2] зона измельчения (смятия) в породах различного минералогического состава представлена тонким слоем, равном 1,0-2,5 радиуса заряда. В этом слое все основные минералы независимо от их физико-механических характеристик полностью разрушаются до порошкообразного состояния. Все частицы порошка имеют размеры порядка от нескольких микрон до десятков и представляют мельчайшие осколки кристаллов. Различие в их крупности в большей степени зависит от хрупкости и дефектности.
Как установлено при взрыве шпуровых зарядов в гранитах,
мельчайшие частицы в зоне измельчения представлены практически исключительно кварцем, имеющим большую хрупкость и количество дефектов по сравнению с входящим в состав гранита полевым шпатом, ортоклазом, плагиоклазом и др. минералами.
Зона смятия в известняках представлена мельчайшими частицами кальцита, образовавшимися при ударном нагружении путем развития густой сетки микротрещин в отдельных кристаллах и на контактах между ними. По этим трещинам, а также по образующимся вблизи заряда поверхностям скольжения происходят сдвиги, за счет которых полученный материал уплотняется. Это приводит к тому, что зона смятия при взрыве заряда ВВ в известняках, и особенно доломитах, при прочих равных условиях, меньше, чем в гранитах.
Радиус зоны измельчения зависит также от продолжительности взрывного нагружения. В меньшей степени на его величину оказывают геометрические параметры зарядов, направление их инициирования, величина и материал забойки и др. факторы. Вместе с тем следует отметить, что при переходе от удлиненных зарядов с соотношением геометрических пара-
метров h/d >5 (И -высота заряда, d - его диаметр) к плоским круглым дискам ИМ < 1 (экспе-
рименты на дисках из железистых кварцитов) уменьшается зона смятия в одинаковых породах и при одинаковом диаметре заряда. Это вызывается тем , что при приходе УВ к параллельным поверхностям диска происходит мгновенное изменение энергетических излучений в радиальном направлении. Следовательно, подтверждается положение о влиянии продолжительности взрывного импульса на величину радиуса зоны смятия. В дисках она меньше чем в цилиндрах, в которых высота заряда больше, чем диаметр в 5 и более раз.
Опыты, проведенные путем взрывания шпуровых зарядов в гранитах, показали что величина радиуса зоны смятия хорошо согласуется с расчетными
величинами, полученными на основе жестко пластической
модели среды с учетом действия сил трения и всестороннего
сжеПри изучении продуктов из-
мельчения в ближней зоне, полученных при опытных взрывах скважинных зарядов диаметром 150 мм длиной 1м и массой 10 кг в гранитах [3] установлено, что распределение мельчайших продуктов разрушения (0-2 мм) имеет бимо-
дальный характер. Причем. первая мода характеризует увеличенный выход мельчайших фракций кварца (0-100 мкм), а вторая - зерен других минералов (1-2 мм), входящих в состав гранита.
Указанные разрушения происходят в первой фазе взрыва - фазе распространения УВ в ближней зоне. Избыточная энергия волны, движущейся в радиальном направлении от оси заряда со скоростью большей, чем скорость роста трещин, вызывает образование определенного количества радиальных трещин, зависящих от остаточной энергии и параметров УВ, переходящей в волну напряжений.
Особый интерес представляет своеобразное разрушение пород на границе зоны смятия и трещино-образования, поскольку в пределах относительно небольшого слоя материала наблюдается качественный скачок в изменении характера разрушения. Если в зоне смятия происходит интенсивное объемное разрушение до пределов отдельных кристаллов и зерен с образованием сложной системы поверхностей раздела, то в зоне трещино-образования строгая направленность радиальных трещин говорит о разрушении в условиях одноосного сжатия. Суммарные поверхности трещин в эквивалентных объемах обеих зон, а следовательно, и энергоемкости отличаются по величине на несколько порядков. Очевидно, что на границе зон происходит скачкообразное перераспределение энергии взрыва. При этом в зоне смятия поглощается энергия пикового давления УВ и в дальнейшем расходуется остальная часть волновой энергии взрыва. На границе зоны возникают радиальные трещины, дальнейшее развитие которых поддерживается остаточной энергией УВ и расклинивающим действием газов, проникающих в трещины. По времени процесс является второй фазой, в течение которой образуется вторая зона - зона радиальных трещин. Причем радиус этой зоны в несколько раз превышает радиус зоны мелкого дробления. Следует
отметить, что, если в зоне мелкого дробления (ближней зоне) разрушения обусловлены превышением сил нагружения предела прочности породы при всестороннем сжатии, то во второй зоне образуются радиальные трещины при напряжениях, находящихся в интервале между пределом упругости и пределом прочности при растяжении. Это связано с эффектом возникновения трещин, параллельных сжимающей нагрузке (эффект раскалывания).
Теоретические и
экспериментальные исследования позволили уточнить механизм разрушения в двух рассмотренных зонах, а также за их пределами [2,3]. Разрушение прочных горных пород имеет хрупкий характер. Причем, основу общего механизма разрушения составляют
запредельные деформации сжатия, сдвига и растяжения,
возникающие в результате совокупного действия волны сжатия и деформирования породы в сторону свободных
поверхностей. При любых видах нагружения разрушение
инициируется в «слабом звене» -там, где в породе имеются дефекты структуры, межзеренные границы, микротрещины,
спайности и прослойки с высокой дефектностью, а также там, где возникают градиенты напряжений. Следовательно, разрушение
наиболее вероятно в окрестности либо концентраторов напряжений либо в местах, где нагрузка резко изменяется по величине. Проникновение газов в трещины играет двоякую роль: с одной стороны, это приводит к уменьшению давления в очаге взрыва, с другой - к уменьшению прочности породы вследствие абсолютного захвата. Необходимо такНевестно, учитыватювые прои цасвыиниварящее дшрпдае провре-альных взрывах скважинных зарядов длится несколько миллисекунд. Ударное сжатие забоечного материала, фильтрация газов через него и прорыв газов происходит за время большее примерно на порядок, т.е. в течение 8-20 мс и соиз-
меримы с временем появления газов в трещинах на откосе уступа. Этот период (фаза квазистатиче-ского действия) связан с проникновением газов в радиальные трещины, фильтрацией через забойку и созданием поршневого эффекта. В этот момент, когда радиальные трещины достигли своего предельного значения, происходит как бы толкание части породы и ее выпирание (вспучивание) в сторону свободных поверхностей. По времени этот период совпадает с временем вылета забойки [4]. Однако, как установлено кинометрически-ми изменениями [5], скорости перемещения породного массива в единицы и десятки раз меньше скорости вылета забойки. Например, экспериментально установленные скорости перемещения пород на границе свободной поверхности (верхняя площадка и откос уступа) составляют 6 - 15 м/с. Определено также, что скорость вылета забойки при взрывании зарядов диаметром 105 - 320 мм находится в пределах 50-250 м/с в зависимости от типа породы, диаметра и конструкции заряда, а также схемы его инициирования. Промежуточное положение между этими величинами занимают скорости разлета кусков и составляют примерно 25-75 м/с. Следует отметить, что опасный разлет кусков породы происходит из зоны, находящейся вблизи устья скважины и связан также с запирающими характеристиками забойки.
Экспериментально установлено, что большое влияние на скорость вылета продуктов взрыва и забойки оказывает схема инициирования зарядов [5]. Наименьшие величины их скорости вылета зарегистрированы при верхнем инициировании как шпуровых так и скважинных зарядов ВВ. Средние значения дает встречное инициирование. а макСсилмедалуьентыоет-мнеитижтньее.важные результаты, полученные при экспериментальном изучении параметров вылета и перемещения продуктов взрыва и твердой разрушаемой среды при взрывах раз-
личного масштаба (от модельных взрывов до массовых) и в различных материалах (от оргстекла до пород). Как установлено, скорости перемещения разрушаемых сред, скорости вылета отдельных кусков, продуктов взрыва и забойки как на моделях, так и в натурных условиях примерно равны и характеризуются следующими показателями:
1) скорости перемещения - в основном единицы м/с;
2) скорости разлета кусков - десятки м/с;
3) скорости вылета газов - сотни м/с.
Такие закономерности
позволяют по новому оценивать и прогнозировать хотя бы на качественном уровне натурные результаты по указанным процессам на основе модельных экспАенраилмиезнтовэ.кспериментальных данных, полученных при моделировании взрывов уступов различной высоты и в натурных условиях [5] показал, что максимальная дальность перемещения твердых сред и породных масс зависит от параметров расположения зарядов первого ряда, ус-
ловий и схем их взрывания, а также высоты уступа и диаметра заряда. Количество рядов скважин на величину приращения развала пород влияет в основном только в местах расположения группы врубовых скважинных зарядов. Причем условием исключения обратного выброса породы в тыл верхней площадки уступа является обязательное создание возможности перемещения пород от взрыва скважинных зарядов первого ряда. В этой связи для обеспечения управляемого перемещения пород особенно при применении конвейерного транспорта при ЦПТ и ПТ в сторону откоса уступа необходимо строго обеспечивать равную ширину подпорной стенки вдоль всего фронта уступа пород, отбиваемых взрывом. Таким образом, выполненные аналитические и экспериментальные исследования позволяют более глубоко раскрыть механизм разрушения и перемещения пород с позиции взаимосвязи указанных процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефремов Э.И., Петренко
В.Д., Кратковский И.Л. Проблема разрушения и дезинтеграции полими-неральных горных пород при различных видах нагружения.// Сб. докл. X Междн. конф. но механике горных нород. - М.: PAН, І994. - С.62-70.
2. Yang R., Denden W.F., Katsa-banis P.D. A new constitutive model for blect damage // Jnt.Y. Kock Mech. And Mining Sci and Geomech. Abstr. -І99б.-ЗЗ.№З.- C.245-254.
3. Родионов В.Н., Сизов ИА О нупругих напряжениях в твердом теле с неоднородностями // Действие взрыва в неоднородной среде. Взрывное дело, №90/47. - М.: Недра, І990. - Р.5-І7.
4. Rolev K.L., Petrov P.Y. Processes of disintegration in rocks and minerals when blasting //Int.J Rock Mech and Mining Sci. And Giemech. Abstr. -І995.-З2. - №2. Р.8З.
5. Похил П.Ф., Садовский М.Х. Импульс взрыва и его зависимость от формулы и размеров заряда и свойств взрывчатого вещества // Механическое действие взрыва. Сб. Тр. Ин-та динам. Гесфер PAН. - М. І994. - С.І 94-202.
6. Проблемы экологии массовых взрывов в карьерах // Э.И. Ефремов, П.В. Бересневич, В.Д. Петренко и др./ Днепропетровск: Січ, 1996. - І79с.
© Э.И. Ефремов, В.Д. Петренко
В.Д. Петренко, И.П. Гаркуша,
В.А. Никифорова, В.П. Куринной,
ИГТМ НАН Украины
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В УДАРНОЙ ВОЛНЕ
При распространении ударной волны (УВ) в горной породе протекают механические, термодинамические, электродинамические и многие другие процессы. В настоящей работе рассматриваются лишь механические процессы, так как именно они в данном случае играют основную роль в разрушении породы.
Механизм разрушения горных пород зависит от параметров УВ, а параметры ее определяются свойствами горной породы, поэтому необходимо рассмотреть сам процесс распространения УВ. Когда волна распространяется в газе или жидкости, давление ее фронта обеспечивает лишь приращение импульса вещества. Расстояние, на котором происходит изменение параметров газа или жидкости в УВ, называют шириной фронта УВ. В газах и в первом приближении жидкостях молекулы разгоняются во фронте индиви-
дуально. Ширина фронта УВ в этом случае равна нескольким длинам свободного пробега молекулы в газах и нескольким межмолекулярным расстояниям в жидкостях. В идеальных монокристаллах за фронтом слабой УВ сплошность кристалла не нарушается, а лишь уменьшаются параметры кристаллической решетки. Во фронте сильной УВ кристаллы испытывают фазовый переход (происходит переукладка структурных элементов кристалла [1]).
Рассмотрим механизм разрушения грунта в УВ. Грунты состоят из слабо связанных (молекулярная, ионно-электрическая связи) минеральных зерен. По-ровый объем заполнен газом, водой. Ударная адиабата для грунта содержит сумму адиабат для воздуха, воды и минеральных зерен. При сжатии грунта при давле-
ниях р ~ 10 МПа основной вклад в ударную адиабату принадлежит адиабате для воздуха. Когда давление изменяется в пределах 0,1 ГПа < р < 1ГПа, адиабату для грунта, в основном, определяет адиабата для воздуха и воды. Рассмотрим прохождение УВ по неводонасыщенному грунту. Статический предел прочности такого грунта зависит от размеров образца. Если в качестве «образца» грунта взять самое прочное зерно, то так называемый локальный предел прочности самого зерна будет равен пределу прочности зерна. Другими словами, грунт сильно неоднороден по значениям локального предела прочности. Кроме этого, при увеличении скорости нагружения пределы прочности, как правило, возрастают. Максимальное значение предела прочности породы на разрыв равно так называемой «идеальной» прочности породы на разрыв [1] (она равна растягивающему напряжению, необходимому для одновременного разделения образца по поверхности площадью 1 м2). Пусть грунт занимает полупространство, на поверхность которого действует сила, обеспечивающая одинаковое для всех точек поверхности давление р. Когда давление достигает предела прочности грунта на сжатие, начинается его течение. При этом напряжение на поверхности сферической полости равно [3]
агг = 1,5 р. (1)
При сжатии породы давление будет «неограниченно» возрастать. Грунт при закрытии пор будет течь, разделяясь на «частицы», которые состоят из пере-уложенных прочных минеральных зерен. Так как «локальная прочность» грунта сильно меняется от точки к точке, то во фронте УВ грунт будет участвовать в сложном течении, которое в конце ударного скачка сформирует движение частиц со скоростью и (и - массовая скорость породы за фронтом УВ). Ширина фронта УВ h равна
h = toDy, (2)
где Dy - скорость УВ; t0 = и + ^, и - время разделения грунта на «частицы», ^ - время разгона частиц до массовой скорости. Времена и и ^ можно оценить, положив, что грунт при давлении р разделяется на «частицы» в виде куба со стороной ^ Для оценки предположим, что р во фронте УВ изменяется по линейному закону, тогда сила, действующая на «частицу>д!рав^а= ^ ,
h
Ускорение «частицы» во фронте равно
а =
ДО р ■ d
(3)
(4)
т Н • рс13 Н • р
где плотность грунта при давлении р. Точное значение ускорения можно найти из формулы dp 1
а =
ёх р{х)’
(5)
где dp|dx - скорость изменения давления в пределах ударного скачка (ширины фронта УВ); рх) -плотность породы в точке х ударного скачка. В (6) по-
ложено, что плоская ударная волна распространяется вдоль оси х. При массовой скорости грунта и время ^ равно
и • Н • р
* 2 =
(6)
р
Когда р в скачке изменяется по линейному закону, ускорение «частиц» не зависит от их размеров . Точный расчет показывает, что ускорение обратно пропорционально размерам «частиц».
Время ^ легко оценить, если учесть, что частица при действии на нее силы начинает движение лишь, когда волна разгрузки, отраженная от передней стенки «частицы», достигнет задней ее стенки [4]
2d
*1 =
С
(7)
где Ср - скорость волны напряжений (разгрузки).
При увеличении давления на поверхность грунта все более прочные зерна разрушаются во фронте УВ. Разрушение зерен происходит в сильно неоднородном поле напряжений, возникающем при сжатии неоднородного по плотности, прочности и ударной сжимаемости вещества. В этом случае ширина фронта УВ к уменьшается, а крутизна кривой давления в ударном скачке (ёр/ёх) будет возрастать. Когда давление р
изменяется в пределах 1 ГПа < р < 10 ГПа, практически все зерна будут разрушены, т.е. УВ будет проходить непосредственно по зернам. В этом случае ширина фронта УВ будет меньше размеров зерен. Механизм разрушения зерен будет рассмотрен ниже.
Когда грунт водонасыщен, УВ возникает в нем
лишь при давлении р > 0,1 ГПа. При таком давлении будут разрушены связи между прочными минеральными зернами. Возникновение ударной волны обеспечивается, в основном, сжимаемостью воды. Необходимо отметить, что, строго говоря, закон Паскаля в зоне ударного скачка применять нельзя, т.е. минеральные зерна не будут испытывать состояние гидростатического сжатия. Ширина фронта слабой УВ в водонасыщенном грунте будет больше среднего размера зерна. Минеральные зерна и их сростки размерами больше ширины фронта УВ будут разрушаться от напряжений сдвига в том случае, когда УВ в воде будут порождать сильно неоднородное поле напВрясжлеанбиояй. УВ крупные минеральные зерна не успевают разрушаться и приобрести необходимую скорость и во фронте волны [5].
Для скальных пород можно рассмотреть два механизма разрушения во фронте УВ. Когда скальная порода пористая (с достаточно большой концентрацией пор) и/или состоит из зерен, не сильно отличающихся по прочности, то ее можно рассматривать как сплошную однородную среду. При прохождении УВ по пористой породе каждая пора служит концентратором напряжений, и разрушение породы начинается в местах расположения пор.
Порода успевает разрушиться в зоне ударного
скачка, в противном случае УВ не будет распространяться. Непористая порода, состоящая из минеральных зерен, существенно отличающихся по вышеуказанным параметрам, во фронте слабой УВ разрушается по менее прочным зернам. Если размер прочных зерен меньше ширины фронта УВ, они разрушаться не будут. В противном случае зерна разрушаются от сдвиговых напряжений, возникающих при обтекании их УВ (рис. 1). В случае, когда скальная порода состоит из крупных зерен и в каждом зерне возникает ударная волна, то, так как свойства зерен различны, скорости УВ и массовые скорости породы в разных зернах так же будут различны. Это приведет к разрушению каждого зерна на очень мелкие частицы.
При исследовании условий разупрочнения породы в поле напряжений, возникающем при взрыве, установлено, что оптимальное разупрочнение породы происходит в случае, если амплитуда волн напряжений ст, скорость изменения напряжений
і да ч да
(___), их градиент _____
дґ дг
д 4Ж
длительность напряже-
ний и скорость потока мощности
находятся
(дХ)
3ді
из уравнений [6]:
2 Еу 2
>ст. >
2 Еу 1
ст
М 2 ).
дст
> — > Аі ді
ст
М1).
Аі
г г
>Аі > ;
С г С
ст р (г 2) >дст>
г дг
ст
М1).
2%ст2 (г 2 )г 2 с 2 N д 4ж 2%ст2 (г 1 )г С2 N
Е
>
(дхі )3 ді г
Е
г
2
где а - напряжение, при котором происходит рост трещины длиной
2^ < 2& < 2& 2;
&кр( & г) - напряжение, при котором происходит рост трещин длиной 2&г (г = 1,2),
Е - модуль упругости породы; у -работа образования единицы площади новой поверхности; г - расстояние между трещинами (г1 < г < г2); N - концентрация трещин длиной 2 & в слое породы. Следует также отметить, что в плоской упругой волне могут расти трещины лишь в направлениях, перпендикулярных или параллельных фронту волны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. - 668 с.
2. Атомистика разрушения: Сб. статей 1983-1985 г.г. Пер. с англ. / Сост. А.Ю. Ишлинский. - М.: Мир, 1987. - 248 с., ил.
3. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - Учеб. пособие для в вузов. - 2-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 712 с.
4. Ионов В.Н. и Огибалов П.М. Напряжение в телах при импульсивном нагружении. Учеб. пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1975. - 403 с., с илл.
5. Гаркуша И.П., Куринной В.П. Особенности детонации взрывчатого вещества с инертными добавками// Труды I Межгосударственного семинара «Высокоэнергетическая обработка материалов». - Том 2. - Днепропетровск: ГГАУ, 1995. - С. 80-83.
6. И.П. Гаркуша, В.П. Куринной. Критерии управляемого разупрочнения горных пород в поле напряжений. Сб. научных трудов Национальной горной академии Украины, № 3, том 4, Днепропетровск, 1998 г. - С. 75-78.
© В.Д. Петренко, И.П. Гаркуша, В.А. Никифорова, В.П. Куринной
Рис. 1. Схема волновых фронтов в минеральном зерне 1 - зерно; 2 - фронт УВ в грунте; 3 - волна напряжений в зерне от УВ; 4 - волна разгрузки; 5 - отраженная от зерна УВ
