Лабораторные исследования взрывного дробления искусственных блоков при разных удельных расходах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2. Газогенератор хлоратный патронированный (ГХП) «Руководство по применению при отделении блочного камня и щадящего разрушения природных и искусственных объектов» (КР-7275-001-55254696-03), 2003.

3. Программа и методика лабораторно-полигонных испытаний газогенераторов хлоратных патронированных (ГХП) для разрушения природных и искусственных объектов в производственных условиях ООО «СМУ-5 Мосметростроя», 2006.

і— Коротко об авторах----------------------------------------

Горбонос М.Г., В.А. Белин, Мамонов Е.А., Дмитриев А.Ю. - Московский государственный горный университет,

Кирсанов О.Н. - ФГУП РНЦ «Прикладная химия», г. Санкт-Петербург.

----------------------------- © С.Н. Жаворонко, В.В. Стадник,

2007

С.Н. Жаворонко, В.В. Стадник

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ БЛОКОВ ПРИ РАЗНЫХ УДЕЛЬНЫХ РАСХОДАХ

Г¥ри добыче щебня на карьерах одним из главных па-■ I раметров, определяющих технико-экономические показатели этой добычи, является величина выхода отсева -кусков породы размером менее 10 мм.

Закономерности суммарного выхода этой фракции на каждом карьере устанавливаются по результатам опытнопромышленных исследований и промышленного ведения работ и составляют обычно 20-25 % от всего объема добытой горной массы. Причем, о влиянии взрывных работ на выход

отсева высказываются самые разные точки зрения с утверждениями о том, что этими работами обуславливается выход отсева от 10^12 % до 18^20 % объема добычи.

В многочисленных справочниках и руководствах по взрывному делу [1-4 и др.] нет методик даже для приближенных оценок выхода отсева, а основной упор в этих работах делается на разработку методик расчета параметров БВР, минимизирующих выход негабарита - еще одного важного параметра, определяющего эффективность БВР на карьерах.

В последние годы наиболее достоверная модель Н.В. Родионова [5] о крупномасштабном камуфлетном взрыве сосредоточенного заряда в горных породах была развита в МГГУ [6] на случай взрыва обычных зарядов ПВВ в горном деле и в строительстве. По этой модели, названной как феноменологическая квазистатическо-волновая (ФКСВ) теория взрывного деформирования и разрушения горных пород, достаточно надежно рассчитываются радиусы Ь, зон мелкодисперсного дробления горных пород по соотношениям:

- при взрывах удлиненных зарядов ПВВ,

где Ьзр - диаметр зарядов, м; Рж - давление ПД в точке Жуге, Па; амд - напряжение, соответствующее интенсивному мелкодисперсному дроблению породы, равное

амд = 13 • [1 + 0,0790-15) + 0,0019(Г-15)2]• 108 Па;

В разных исследованиях установлено, что в зоне г < Ь, интенсивного мелкодисперсного дробления пород на частицы размером ^ст < 0,5 (в том числе и пылевидных) эта дезинтеграция кусков породы происходит не только за счет развития в отдельностях трещин разной ориентации, но и за счет дилантасионной переукладки мелких частиц, сопровождающейся дополнительных разрушением этих частиц и сухо-

Ь. = 0,5 • Ьзр ^Рж / аМд , м

(1)

- и при взрывах сосредоточенных зарядов ПВВ.

(2)

(3)

го трения между ними с формированием пылевидных фракций.

Теоретическая же оценка всего объема отсева вызывает серьезные затруднения, поскольку процессы разрушения с удалением от зарядной полости при г ^ Ь, происходит путем развития в отдельностях двух типов трещин:

- радиальных при достижении полярными напряжениями значений оаа > арас или радиальными сжимающими напряжениями агг > асж1, и

- направленных под углом 30^45° к радиальным напряжениям, достигшим значений агг > 2тсдв. В этой второй области размеры частиц составляют Ьчст > 2 мм. Именно этими обстоятельствами и обусловлено надежно зафиксированное в лабораторных исследованиях существенное снижение относительного объема фракции 1 р Ьчст < 2 мм по сравнению с относительным объемом соседних фракций при взрывном дроблении образцов разных пород.

Кроме того, оценка выхода отсева существенно осложняется еще и влиянием относительных размеров блоков

1бл = Iбл / Ьзр, на процессы их разрушения взрывом заряда ПВВ, где 1бл - характерный размер блоков. Больше всего

последнее обстоятельство проявляется в изменении формирования отсева в раздробленной взрывом горной массе с изменение трещиноватости горных пород, то есть с изменением I - среднего размера кусков в массиве.

Для выявления общих закономерностей формирования отсева при взрывном разрушения пород в МГГУ был проведен 1 цикл исследований взрывного дробления силикатных блоков со следующими параметрами физико-технических свойств:

рпр = 2,1 • 103 кг/м3; Е = 2,01 • 1010 Па; ц = 0,229;

1 Работы были выполнены под руководством д.т.н. Крюкова Г.М. при уча-

стии асп. Докутовича М.И.

С1 = 3,13 • 103 м/с; асж = 2,35 • 107 Па; тср = 1,735-107 Па;

арас=2,73106 Па.

В опытах использовались блоки с размерами 60x60x60 мм и 120x120x60 мм. В качестве ПВВ использовался пиротехнический состав2 (ПС), теплота взрывчатого превращения которого составляла 04 = 3350 Дж/г, 05 = 4187 Дж/г и

06 = 5024 Дж/г. Взрывное разрушение силикатных блоков

осуществлялось в плотно закрывающейся стальной камере с внутренними размерами 300x300x200 мм при толщине стенок 10 мм. Инициирование зарядов ПС осуществлялось путем взрыва в них тонкой нихромовой проволочки от импульса тока от бытовой электрической сети. Более подробно особенности методики проведения лабораторных экспериментальных исследований по взрывному дроблению образцов горных пород и характерных параметров ПС приведены в [7] и в докладе Крюкова Г.М., Докутовича М.И., Жаворонко С.Н. на тему «Главные критерии для оценки взрывного дробления горных пород на карьерах» на настоящей конференции. Здесь отмечается лишь только то, что при выбранных параметрах зарядов ПС и 0| проводилось подряд четыре опыта. Раздробленная в этих опытах масса смешивалась, обеспечивая тем самым усреднение результатов взрывного дробления блоков, а затем производился рассев этой массы по фракциям.

Схемы размещения блоков в камере и амортизации, исключающие дополнительное дробление кусков в результате их соударения со стенками и крышкой камеры, приведены на рис. 1.

Параметры зарядов ПС и блоков приведены в табл. 1.

Анализ результатов экспериментальных исследований был начат с сопоставления содержания фракций с одинаковыми по размерам частицами при близких значениях параметров зарядов ПС, взорванных в двух разных по размерам блоках (табл. 2).

В первой строчке каждой пары опытов приводится содержание фракций при взрыве зарядов ПС в блоках разме-

2 НОУ-ХАУ каф. РГПВ МГГУ.

ром 120x120x60 мм и во второй - размером 60x60x60 мм. Условно соответственно массам фракций в первой строчке присвоен индекс 1, а второй - 2. Аналогичная индексация присвоена и энергиям зарядов. Кроме того, у каждого номера серии опытов поставлены индексы «С» и «У», что означает взрывы сосредоточенных или удлиненных зарядов соответственно (табл. 2). Это сопоставление пар серий опытов показывает, что выход фракций при взрывах зарядов ПС в меньших по размерам блоков в 2^3 раза больше, чем при взрывах аналогичных зарядов в блоках с размерами 120x120x60 мм. Причем, этот выход имеет место при взрывах как удлиненных, так и сосредоточенных зарядов ПС.

Вообще говоря, это легко предвидимый результат, поскольку энергонасыщенность взрываемых блоков во вторых сериях опытов приблизительно в 4 раза больше, чем в первых сериях. Поскольку в настоящей работе основной задачей было установление закономерностей выхода отсева, то ниже во всех оценках будет анализироваться суммарный выход

7

первых 7 фракций т_10 = ^ т. с размерами частиц ьч < 10

.=1

мм.

Выполним несколько теоретических оценок

1. По массе т_10 рассчитывался объем, занимаемый этими фракциями по формуле

У_ю = т_10 / р; [^ю ]=м3. (1)

2. Принималось предположение, что объем У_10 пропорционален длине зарядов I , поэтому рассчитывалась V

- величина объема этой степени дробления блоков, приходящаяся на единицу длины заряда

VI = г_ю/ /зр; [ VI ] = м2. (2)

3. Принималось второе предположение, что величина V/ пропорциональна ^р - квадрату диаметра зарядов, поэтому рассчитывался безразмерный показатель V/d по соотношению

V1d = V/ /<; [ Vld ] = 1. (3)

4. Поскольку параметр Vld - пропорционален энергии заряда, приходящейся на единицу длины заряда, то рассчитывалась величина Э

Эг = Эзр / /зр; [Э/] = Дж/м. (4)

5. Соответствующие значения VldЭl представлены3 на рис. 2. При этом явной зависимости Vld от Э{ не прослеживается, а отдельные величины ^ при практически одинаковых значениях Э{ различаются в 4^5 раз.

6. Выше уже отмечалось, что выход раздробленных частиц разрушаемой породы существенно зависит от размеров разрушаемого блока, поэтому был введен новый параметр

Э*

Э/К = Эг / К2; [Э/К]=Дж/м3, (5)

где К - средний поперечный размер разрушаемого блока. В рассматриваемых опытах параметр К имел значения примерно 60 и 120 мм. Зависимость Уи от Э/К представлена на

рис. 3. Она имеет явно выраженный линейный характер почти для всех опытов при взрывах с удлиненных зарядов ПС.

7. Учитывая то обстоятельство, что рассматриваемые частицы размером до 10 мм образовывались во второй зоне путем развития трещин при достижении касательными напряжениями предельных значений тсдв, был введен безразмерный параметр Э

Э = Эш/ Т сдв; [ Э ]=1. (6)

3 На этом рисунке и всюду ниже квадратикам соответствуют взрывы удлиненных зарядов ПС при |^ >6 а крестикам - взрывы сосредоточенных зарядов при |зр/4р<6.

174

175

176

177

300

Ум

250

200

150

100

50

■

■ х

1 X

■ X X > X / X

ю X

□ УДЛ Хсоср

0

0 5 10 15 Э -1а4Дж/м

Рис. 2. Опытные данные удельного содержания фракции Н < 10 мм

300 -Ум 250 -

200 -

150 -

100 -

50

10

15

■

■ > '

£ > / ч

1 1 X X < X X

□ < Эг10-6Дж

20

Хсоср

25

30

Рис. 3. Зависимость Уы от удельной энергонасыщености разрушаемых образцов

0

0

5

300

-V

250

200

150

100

50

□ й □ ■

С "Л ■

X

X X

> - X X X

□ удл Хсоср

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 -Э 1,6

Рис. 4. Обобщенная зависимость V от Э

8. Мало того, учитывая линейную зависимость ¥и от Эт, был введен еще параметр V соотношением

V = Уи / Э. (7)

Зависимость V от Э представлена на рис. 4.

И на этом рисунке ясно видно, что точки, обозначенные крестиком, соответствующие дроблению силикатных блоков взрывом сосредоточенных зарядов ПС существенно отличаются от общей закономерности для выхода отсева при взрывах в этих блоках удлиненных зарядов ПС. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться только последние, для которых среднее значения равно Vср = 250 . При этом максимальное отклонение частных значений V; от среднего не превышает 13 %. Напомним, что для исходных первичных опытных данных Уы (Эг), представленных на рис. 2, частные

0

значения Уш различались в разы. Таким образом, выполненный анализ экспериментальных данных позволил впервые установить общую закономерность выхода «отсева» для лабораторных исследования взрывного дробления образцов. Возвращаясь к размерным величинам, устанавливается общая закономерность формирования отсева при разрушении образцов взрывом удлиненных зарядов ПВВ в виде

V 10 = 250 •

Э

сдв V

Г ь >

зр

"К-

[^ю] = м3.

Относительная же величина этого выхода равна

2

[^°1т0н ] = м3,

V™ = 250 •

Э

Г d >

^зр

т • И

сдв обр

к

(8)

(9)

где Иобр - толщина взрываемых образцов, равная ~ 60 мм в

описываемых опытах.

На основании выполненных исследований выход отсева при реальном ведении взрывных работ на карьерах при добыче щебня будет описываться зависимостью вида:

^10 = к о

где 1с

Э

V 1 ср У

м

(10)

. - средний размер кусков породы в массиве, м; коп -

коэффициент, устанавливаемый по результатам опытнопромышленного ведения взрывных работ. При этом процентное содержание отсева в результате ведения взрывных работ на карьере будет равно:

V°Tnн = 100 • к

Э

тсдв • а • Ь • I зр

Г d ^

зр

V ср у

(11)

где а - расстояние между зарядами в ряду, м; Ь - расстояние между рядами зарядов, м.

Таким образом, впервые установлен безразмерный критерий, определяющий выход отсева для указанных работ, в виде

2

X

сдв

2

Э

К о3 =-------------------------------

отс л и і

Т сдв • а • Ь • 1 зр

(d

^зр

V 1 сР У

(12)

Выводы

1. Для лабораторных исследований установлена обобщающая зависимость выхода отсева от энергии и диаметров зарядов ПВВ и прочностных свойств пород.

2. Установлен обобщающий критерий пропорционально которому формируется выход отсева при взрывном дроблении горных пород на карьерах.

------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдеев Ф.А., Барон В.Л., Гуров Н.В., Кантор В.Х. Нормативный справочник по буровзрывным работам. 5-е изд. - М.: Недра. - 1986. - 511 с.

2. Афонин В.Г., Гейман Л.М., Комир В.М. Справочное руководство по взрывным работам в строительстве. - Киев.: Буд1вильник. - 1974. - 382 с.

3. Кутузов Б.Н., Скоробогатов В.М., Ерофеев И.Е. и др. Справочник взрывника. - М.: - Недра. - 1988. - 511 с.

4. Носков В.Ф., Комащенко В.И., Жабин Н.И. Буровзрывные работы на открытых и подземных разработках. Учебник. - М.: Недра. - 1982. -320 с.

5. Механический эффект подземного взрыва. Родионов В.Н., Адушкин В.В., Костюченко В.Н. и др. - Под ред. М.А. Садовского. М.: Недра. - 1871. - 224 с.

6. Крюков Г.М., Глазков Ю.В. Феноменологическая квазистатическо-волновая теория деформирования и разрушения материалов взрывом зарядов промышленных ВВ / Отдельные статьи Горного информационноаналитического бюллетеня № 11, Препринт. - М.: МГГУ. - 2003. - 344 с.

7. Крюков Г.М., Стадник В.В., Кондрашкин А.В., Дрозд И.И. Теоретические оценки и результаты экспериментальных исследований разрушения горных пород взрывом //Сб. статей и докладов «Проблемы взрывного ле-ла» № 1. - М.: МГГУ-НОИВ. - 2002. - С. 195-202.

і— Коротко об авторах

Жаворонко С.Н. - ЗАО «ПСУ ГИДРОСПЕЦСТРОИ», г. Москва, Стадник В.В. - Московский государственный горный университет.