Методы направленного разрушения горных пород, сочетающие статическое и динамическое воздействия Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

5. Каймонов М.В., Хохолов Ю.А., Курилко родного массива в горных выработках// Горный

А.С., Необутов Г.П. Методика расчета послойного информационно-аналити-ческий бюллетень. - М.:

намораживания пород при формировании льдопо- Изд-во МГГУ. - 2003. - №9. - С. 47-49.

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

Хохолов Юрий Аркадьевич - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Мамонов Алексей Филиппович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Зубков Владимир Петрович - кандидат технических наук, зам. директора,

Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.

------------------------------------- © В.Н. Белобородов, Т.Г. Глотова,

А.К. Ткачук, 2004

УДК 622.235.12/622.83

В.Н. Белобородов, Т.Г. Глотова, А.К. Ткачук

МЕТОДЫ НАПРАВЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, СОЧЕТАЮЩИЕ СТАТИЧЕСКОЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Семинар № 3

~П практике горных работ, как подзем--Я-М ных так и открытых, до настоящего времени не решен ряд вопросов по управлению процессами трещинообразования с целью разрушения монолитных блоков по заданному направлению или для оконтуривания выработок с сохранением прочности законтурного массива.

В литературе приводится достаточно много способов разрушения путем направленного трещинообразования. Так, в справочнике [1] дан широкий обзор таких методов как с использованием взрыва, так и исключающих его. Статические методы направленного разрушения предполагают обычно бурение достаточно частой линии скважин или использование сложного оборудования.

Классификация способов направленного разрушения горных пород [2] позволила выявить принципиальные идеи, на которых базируются существующие подходы к решению этой пробле-

мы, их достоинства и недостатки.

Все представленные способы объединяет использование импульсного воздействия взрывом на разрушаемую горную породу или иной объект, что в некоторых случаях недопустимо (работы внутри жилой застройки или вблизи нее и т.п.).

В данной работе была предпринята попытка разработать практически пригодный метод направленного разрушения крепких и весьма крепких горных пород. Особенностью метода является сочетание статического и динамического воздействия на горную породу. Идея ме-

1 - контур статически нагружаемой скважины

2 - контур вспомогательной скважины

3 - статическое давление рабочего тела

4 - линия максимальных растягивающих напряжений

Рис. 1

тода заключается в создании трещины импульсным воздействием на предварительно напряженный статической нагрузкой объект.

Реализация метода осуществляется следующим образом. Предварительно пробуриваются парносближенные скважины. Одна (большего диаметра) служит для обеспечения статической нагрузки на объект, другая - для динамического воздействия. Для статического нагружения удобно использовать невзрывные разрушающие средства типа НРС, которыми в виде однородной текучей массы заполняется шпур. При затвердевании они развивают дав-

1 - контур скважины

2 - цементная оболочка

3 - заряд ВВ

Рис. 3

ление 40-50 МПа. Однако, применение одного из таких средств - СИГБ (смесь известковая для горных и буровых работ) показало, что при отсутствии значительной трещиноватости породы и диаметре шпуров менее 40 мм указанное средство не вызывает разрушения образцов из гранита и оргстекла даже после недельной выдержки. Тем не менее, если к моменту достижения давления, близкого к предельному, создать начальные направляющие трещины, то разрушение происходит в заданном направлении. Причем, эта трещина должна быть достаточно протяженной - несколько диаметров шпура. В противном случае разрушение происходит в направлении, отличном от предполагаемого, или раскол имеет слишком большие неровности.

Поскольку точка первоначального зарождения трещины определяется максимумом растягивающих напряжений, целесообразно выбрать диаметр вспомогательного шпура меньшим, чем основного, и расположить его как можно ближе к основному в зоне действия статической нагрузки. Тогда в меньшем отверстии создается благоприятное предварительное пе-

Рис. 4

рераспределение напряжений, такое, что максимум растягивающих напряжений приходится на ближайшую к основному отверстию точку окружности (рис. 1). Для нагружения вспомогательной скважины использовались малые заряды ВВ, недостаточные для полного разрушения объекта. Завершение разрушения происходит постепенно под действием расширяющегося состава основной скважины.

Характерный вид разрушенного образца гранита показан на фотографии (рис. 2).

Дополнительные опыты на оргстекле с ударным нагружением вспомогательного шпура, заполненного вязкой жидкостью подтвердили предположение о характере зарождения и последующего распространения направленной трещины. Наблюдения за динамикой развития трещины показали, что первоначально трещина растет в область перемычки между отверстиями и только затем продолжает рост в других направлениях вдоль своей плоскости. При взрывном нагружении не исключено зарождение сразу нескольких трещин, но растут они преимущественно в сторону области максимальных растягивающих напряжений.

Идея другого метода заключается в предварительном создании в скважине направляющей трещины динамическим воздействием на ненапряженный массив и последующем применении статических средств нагружения.

В [3] описан способ создания трещин, основанный на формировании внутри шпура специальным оборудованием цементной оболочки с концентраторами напряжений (рис. 3).

Рис. 2

При взрыве заряда ВВ (3), заложенного в шпур с оболочкой, трещина идет по заданному направлению. Необходимость применения

специального оборудования ограничивает область применения этого способа. В отличие от него, в настоящей работе были использованы металлические оболочки из разрезанной вдоль надвое трубы, которые свободно размещались в шпуре. Кольцевой зазор между оболочкой и стенками шпура заполнялся твердеющим плавким составом, что обеспечивало плотный кон-

1. Добыча и обработка природного камня: Справочник/Под общей редакцией А.Г.Смирнова - М.: Недра, 1990;

2. Исаков А.Л. О направленном разрушении горных пород взрывом//ФТПРПИ.- 1983 - №6;

такт между ними. Такие оболочки в сочетании с импульсным нагружением зарядами ВВ низкой энергии не приводят к разрушению образца, но обеспечивают направленную трещину на 5-6 диаметров шпура даже в гранитах. На бетонных образцах для устойчивого направленного трещинообразования достаточно использовать менее прочную оболочку полностью из плавкого состава в сочетании с пороховыми зарядами эллипсовидного сечения. Окончательное разрушение образцов происходило постепенно за счет энергии невзрывного расширяющегося состава, который заливался в скважину. Результат разрушения образца этим методом приведен на рис. 4.

Авторы считают, что полученное в экспериментах качество раскола образцов сопоставимо с результатами раскола клиновым способом и дает основание развивать способы направленного разрушения крепких пород, сочетающие статическое нагружение с динамическим, сохраняющие достоинства взрывного способа, но при этом более безопасные.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Исаков А.Л. Об одном способе направленного

разрушения горных пород взрывом. - В кн. Способы разрушения и управления состоянием горного массива. Киев, Наукова думка, 1985;

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

Белобородов Василий Николаевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории горного машиноведения,

Ткачук Андрей Константинович - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории горного машиноведения,

Глотова Тамара Григорьевна - старший научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики ИГД СО РАН, г. Новосибирск.

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ