Методическое обоснование постановки экспериментальных исследований взрывного разрушения горных пород под локальным укрытием с использованием информационно-измерительного комплекса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

2004

УДК 622.331

Г.В. Секисов, С.Д. Викторов, В.И. Мирошников,

А. В. Гладырь

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ЛОКАЛЬНЫМ УКРЫТИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Семинар № 12

~П ИГД ДВО РАН предложена техноло-

-Я-М гия взрывного разрушения горных пород под мобильным укрытием [1] с использованием самоходного агрегата для перемещения и установки демпфирующих щитов над взрываемым блоком уступа. На агрегате смонтировано и оборудование для бурения горизонтальных скважин и их заряжания. Взрывание производится послойно сверху вниз зарядами небольшой мощности с таким расчетом, чтобы первый верхний слой можно было удержать демпфирующими щитами от разлета горной массы и сократить опасную зону до нескольких метров.

Возможность демпфирования взрывных нагрузок теоретически исследована в [2, 3] и экспериментально подтверждена в [4, 5]. При взрывании последующих слоев величину заряда можно увеличивать, так как верхний слой взорванной массы будет играть роль дополнительной пригрузки.

Для предлагаемой технологии возникают задачи создания долговечных демпфирующих щитов, расчета их рабочих параметров и прочности, а так же выявление особенностей процессов разрушения горных пород под укрытием.

Отрабатываемый блок горных пород (рис. 1) с несколькими рядами горизонтальных скважин 10, ограниченный с открытых поверхностей демпфирующими щитами 4 и 7, ив его тыльной части отрезной щелью 11. Горизонтальный щит 7 удерживает от разлета разрушенную взрывом горную массу действием своего веса. Боковой вертикальный щит 4 удерживает от разлета и осыпания горную массу. Для удержания щита и горной массы используется упор 2, действующий на вертикальный щит не-

которой силой. При взрыве на щиты действует импульсная нагрузка от заряда ВВ и реакция на движение горной породы. Для уменьшения этой силы предназначены демпфирующие элементы щитов 5 и 8. Через упоры динамическая нагрузка передается на самоходный агрегат 1 (например, на базе экскаватора).

Для измерения импульсных нагрузок в исследуемой системе использованы датчики усилий. В ИГД ДВО РАН для этой цели разработан информационно-измерительный комплекс для исследования динамических воздействий [6, 7]. Комплекс включает в себя персональный компьютер, датчики, согласующие устройства и аккумуляторный блок питания. В устройстве применяется датчик емкостного типа.

Соединение со стороны ПК обеспечивается стандартным параллельным портом, который способен в специальных режимах работы реализовать двунаправленный цифровой обмен со скоростью до 2 Мбит/с по восьми независимым каналам. Это позволяет подключать до восьми датчиков одновременно без применения дополнительных средств. В качестве согласующего устройства применяется генератор прямоугольных импульсов, управляемый емкостью. В целях оптимального подбора диапазона выходных значений в схему вводится цифровой делитель частоты с изменяемым коэффициентом деления.

Задача определения давления на датчик сводится к задаче регистрации частоты прямоугольных импульсов, поступающих на параллельный порт персонального компьютера. В качестве эталонного измерителя временных интервалов используется 16-и разрядный таймер-счетчик типа Ше! 8254-2, тактовая частота кото-

(1)

Схема расположения основных элементов модели: 1 - самоходный агрегат; 2 - стержневая система упоров; 3 -датчики упоров; 4 - рама вертикального щита; 5 - демпфирующий элемент вертикального щита; 6 - забойка скважин; 7 - массивный элемент горизонтального щита; 8 - демпфирующий элемент горизонтального щита; 9 - поверхностные датчики; 10 - заряд ВВ; 11 - отрезная щель

mod

^mod

рого стабилизирована кварцевым резонатором на уровне 1,19318 МГц.

Исследование процессов разрушения горных пород под мобильным укрытием было признано целесообразным начинать на уменьшенных моделях. Модели должны быть геометрически подобны и для соблюдения подобия происходящих в них процессов необходимо выполнение условий подобия. В качестве характерного размера принята линия наименьшего сопротивления (ЛНС) - расстояние Ь* от оси скважины первого верхнего ряда до поверхности блока. Для взрывания под щитом этот параметр имеет величину 1-2 метра [5]. Длина скважин 5-10 м. Соотношение длина -ЛНС порядка 5. Расстояние между скважинами принималось равным ЛНС и объем горных пород, приходящийся на одну скважину составил порядка 5 Ь*3.

Другой характерной величиной является диаметр скважины. Недобур скважин (до отрезной щели) и длина забойки определяется в диаметрах скважины. Эти параметры определяют объем (и массу) заряда, а соотношение массы заряда и объема взрываемой породы - удельный расход ВВ - зависит от крепости горных пород и энергоемкости ВВ.

Перемещение разрушенной горной массы (РГМ) в поле сил тяжести требует выполнения соотношения

°Ь)

^ОЪ)

еь *

W *2

где е- ускорение свободного падения, W* -скорость распространения продольных волн (характерная скорость). Это соотношение сил тяжести и упругости. Так как изменять ускорение в земных условиях не представляется возможным, в модели и объекте должно выполняться соотношение

(2)

где характерные размеры и характерные скорости в модели и объекте отмечены индексами соответственно mod и оЬ]. Это ограничение в значительной степени осложняет процесс моделирования, так как требует подбирать материал моделей с низкими скоростями упругих волн.

Основной физической величиной, влияющей на процессы разрушения, является нестационарное поле напряжений в уступе. При моделировании физических явлений взрыва необходимо соблюдать подобие изменяющихся во времени полей напряжений. Эти поля изменяются путем переноса волн сжатия (растяжения) по объему, занимаемому исследуемым телом (уступом горных пород, моделью уступа). Источником напряжений служат продукты детонации ВВ.

Первым критерием подобия является соотношение скорости детонации Э и скорости распространения продольных волн в горных породах Сь. В свою очередь скорость волн в различных средах является характеристикой упруго-инерционных свойств физических тел.

Горные породы характеризуются термодинамическими (термическими и упругими) и прочностными свойствами. Основные параметры их: удельная масса (плотность) р или удельный объем V.

Модули упругости объемный и сдвиговый - характеризуют способность передачи энергии ударными волнами. Определяются изэн-тропные (динамические) объемный К и сдвиговый и изотермные (статические) Кт и От модули упругости. Эти параметры определяют

поперечную Сх и продольную Сь скорости

звука. Последние связаны с модулями упругости соотношениями

рС2 = GS и pcL = KS + y3 GS

(3)

а ) также должно быть оди-

^раст

Обычно экспериментально определяются максимальные напряжения на разрыв и на сжатие при одноосных испытаниях. В действительных процессах разрушение происходит в самых разнообразных состояниях нагружения. При взрывах это сочетание сжатия в одном направлении и растяжение в другом. Критерием подобия прочностных свойств твердого тела является отношение пределов прочности при сжатии и растяжении. При построении моделей горных пород необходимо, чтобы соотношения упругих и прочностных характеристик были пропорциональны.

Продукты детонации действуют на стенки скважины с давлением Рвв, разрушая их. Разрушение происходит после достижения предельных напряжений, характеризуемых данными испытаний образцов при одноосном нагружении: напряжения разрушения при растяжении и сжатии. Соотношение этих напряжений (р п

ВБ’ с:

наковым.

В динамических процессах существенное значение имеют хрупкие и вязкие свойства. Это максимальные деформации до разрушения. Пластичные тела могут поглотить большую энергию без разрушения. Хрупкие тела разрушаются без поглощения энергии.

Наиболее трудной в определении является характеристика способности горных пород к трещинообразованию. Если в уступе горных пород, в области, удаленной от заряда на значительное расстояние, напряжения меньше разрушающих, то в вершине трещины, распространяющейся в глубь массива, существует концентрация напряжений, которая приводит к распространению трещины со скоростью, несколько меньшей скорости сдвиговых волн.

Временное подобие: При создании моделей уменьшенных или увеличенных размеров изменяется время протекания всех процессов пропорционально размерам моделей. Для того, чтобы процессы в уменьшенных моделях и в натуре считались подобными, материалы моделей должны обладать свойством разрушаться быстро, причем тем быстрее, чем меньше модель.

Модели (подобие) демпфирующих устройств. Демпфирующие устройства могут иметь различные конструкции, математическое описание которых [3] сводится к 3м математическим моделям:

Модель упругого элемента описывается выражением

Г = -С -АХ, (4)

где Г - сила, С -жесткость элемента и ДХ - его

деформация.

Модель вязкого элемента (Фойгта) описывается выражением

Г = -Б ■ДW, (5)

где Э - вязкость, ДW - скорость деформации.

Подобие для таких элементов требует выполнения критериев

с (6)

= idem

= idem.

(7)

р * * Ь *2

В модели пластичного элемента упругие свойства ограничены пределом упругости Б < Беї - Пластичность может описываться как

релаксирующий элемент максвелловского типа выражением

^ (р ~ реї), (8)

dt т

где т - постоянная времени релаксации, Б не ограничена, но в стационарном состоянии сила стремится к предельному равновесному состоянию: Б ^ Б -

' еї

Свойства элемента характеризуются параметрами Ре1 и Для которых требуется выполнение условий подобия

Fe,

р * W *2L’

и 1W* = idem.

■ = idem

(9)

(10)

Дополнительно силы тяжести требуют выполнения критерия (1), а для массы щита

M

• = idem.

(11)

* т *3

Р ь

В основе исследования процессов демпфирования взрывных нагрузок на моделях и создания конструкций щитов, лежит поиск приемлемых соотношений размеров элементов конструкций и их демпфирующих свойств с последующим пересчетом этих соотношений на натуральные объекты. Данная методика использована при постановке и проведении начального этапа экспериментальных работ на предприятии ООО “Корфовский каменный карьер” Хабаровского края, с применением физического моделирования взрывания крепких

горных пород, представленных гранодиорита-

ми X категории по СНиП.

1. Шевкун Е.Б., Мирошников В.И. Прогрессивная технология открытой разработки месторождений скального типа. Владивосток - Хабаровск: ДВО РАН, 1997. 88 с.

2. Miroshnikov V.I., Shevkun E.B., Sekisov G.V. Numerical modelling of interaction in the «Rock mass - damper shield» system.//Computer applications and operations research in the mineral industries:2nd Regional sympo-sium.(August 24-28,1997). - The Moscow state mining university publishing center, - Moscow, Russia: - 1997. - p. 334-339.

3. Мирошников В.И. Численное моделирование процессов перемещения при взрыве горных пород, ограничиваемых щитом. Эффективные способы добычи и переработки полезных ископаемых Дальневосточного региона. Владивосток: Дальнаука, 1998, С. - 153-160.

4. Мирошников В.И., Шевкун Е.Б. Экспериментальное исследование демпфирующих элементов от-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ражающего щита. // Эффективные способы добычи и переработки полезных ископаемых Дальневосточного региона. Владивосток: Дальнаука, 1998. - С. 98-103.

5. Шевкун Е.Б., Мирошников В.И., Леоненко НА., Павлова НА. Методика экспериментальных исследований элементов укрытия на взрывном полигоне. // Добыча и переработка минерального сырья дальнего востока. Владивосток: Дальнаука, 2002. - С. 125-131.

6. Гладырь А.В. Программная система «К-контроль», № ОФАП - 2025, № госрегистрации -50200200338, от 12. 07. 2002. № 155.

7. Гладырь А.В. Мирошников В.И. Экспериментальная установка для изучения динамических нагрузок на демпфирующее укрытие разрушаемого взрывом массива горных пород. Электронный журнал “Исследовано в России”, 2002, т.91, С. 999-1004.

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

Секисов Г.В., Мирошников В.И., Гладырь А.В. - ИГД ДВО РАН, Хабаровск. Викторов С.Д. - ИПКОН РАН, Москва.

-------------------------------------------- © А.Н. Каюмова, 2004

УДК 622.83 А.Н. Каюмова

ПРОГНОЗ ПОСЛЕДСТВИЙ КАМНЕПАДА В КАРЬЕРАХ

Семинар № 12

ГТ ри разработке месторождений полез-М.А. ных ископаемых открытым способом решается множество геомеханических задач, важная роль среди которых принадлежит обеспечению необходимых мер безопасности. В этот комплекс проблем входят: обеспечение устойчивости бортов карьера, оптимальное конструирование бортов и другие. Решение этих проблем открывает новые перспективы для горнодобывающих предприятий, предос-

тавляя большие экономические возможности за счет увеличения угла откоса бортов, а соответственно, и уменьшения коэффициента вскрыши. Снижение затрат на вскрышные работы при достижении более крутых углов откоса карьера может повлечь за собой негативные последствия в виде обрушений кусков горной породы с верхних горизонтов, а также и в целом нарушение устойчивости борта карьера. Успешное решение этой проблемы зависит от

* Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента Российской Федерации