Определение массы упругих элементов газопроницаемого укрытия взрывных блоков Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© A.B. Лешинский, Е.Б. Шсвкун, H.K. Лукашевич, 2013

УДК 622.235.5:504

A.B. Лешинский, Е.Б. Шевкун, Н.К. Лукашевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОПРОНИЦАЕМОГО УКРЫТИЯ ВЗРЫВНЫХ БЛОКОВ

Проведено исследование работы газопроницаемого укрытия из связанных между собой упругих элементов. Дана методика расчета массы укрытия на основе ударного импульса взрыва.

Ключевые слова: промышленный взрыв, газопроницаемое укрытие, мелкодисперсный грунт, ударный импульс.

В настоящее время имеется достаточный производственный опыт применения различных типов защитных устройств от разлёта кусков горной массы, на основании которого разработаны методы расчёта наиболее распространенных видов укрытий [1].

В «Инструкции по производству взрывных работ с защитными укрытиями» [2] масса сплошного укрытия Му из деревянных или металлических щитов, нетканых материалов и др., устанавливаемого над зарядом, определяется в соответствии с Техническими правилами по формуле, т:

н

M = 103 у W н

У

Nm = D 3Q , Q -

где

масса заряда

заб

рыхления, кг; Оэ - диаметр заряда, м; Iзаб - длина забойки, м; № - линия наименьшего сопротивления заряда (ЛНС), м; Иэ - эффективная высота установки укрытия, м; Иу - фактическая высота установки укрытия, м.

В случае применения сплошных укрытий из мешков с песком или из

насыпного мелкодисперсного грунта, располагаемых непосредственно на взрываемой поверхности, удельная масса укрытия, кг/м2:

Му = 0,33

где у — плотность взрываемой породы, кг/м3.

Массу газопроницаемых укрытий определяют по следующей формуле, кг/м2:

Мг =(0,45...0,60) Му = (0,15...0,20)у №.

Большие значения в указанном диапазоне изменения коэффициентов при Му применяют для плоских укрытий. Величину Мг рекомендуется уточнять по данным испытаний укрытий или первых промышленных взрывов с их использованием. Расчёты по указанным методикам дают массу газопроницаемых укрытий в 4,5 раза меньшую, чем у сплошных, что и предопределяет их предпочтительное применение.

При укрытии больших площадей газопроницаемые укрытия в виде матов, изготовленных из отходов из якорных цепей показали лучшие характеристики. При вспучивании от взрыва раз-

рыхленная горная масса плотно охватывается эластичным цепным матом, который пропускает газы взрыва, снижая этим ударное воздействие на укрытие, и в то же время не позволяет отрываться отдельным кускам от обшей массы, удерживаемой в компактном состоянии. Инерционное сопротивление компактной массы породы, усиленное массой укрытия, уравновешивает силу взрывного удара, а вся разрыхленная горная масса перемешается вместе с цепным матом, который не отрывается от горной массы [3]. Однако широкое применение газопроницаемых матов из тяжелых якорных цепей, имеюших малую удельную массу, осложняется вопросами приобретения и доставки, особенно в удаленные от морей и рек места, а также обязательным использованием мошной грузоподъёмной техники при укладке больших полотен заранее связанных матов значительной массы.

В связи с вышеизложенным нами предложен принципиально новый вид газопроницаемого укрытия - трансформируемое укрытие в виде мата из связываемых между собой на месте изготовления быстроразъёмными соединениями отдельных упругих элементов с сушественно меньшей удельной массой (40...80 кг/м2). Это могут быть, например, изношенные шины большегрузных автосамосвалов, которые имеются в избытке на любом горном или дорожно-строительной предприятии. Разнообразный ассортимент шин по размерам (от 1 до 4 м) и массе (от 100 до 3000 кг) позволяет собирать маты укрытий с широким диапазоном изменения удельной массы на различных по конфигурации в плане и гипсометрии поверхности взрывных блоках. Ввиду сравнительной легкости и упругости связанные автошины, как и цепной мат,

всегда остаются на поверхности горной массы после взрыва.

Применяемые методики расчёта позволяют определить массу укрытий, укладываемых на одной свободной поверхности, преимушественно горизонтальной, поскольку взрывные работы под укрытием проводятся, в основном, на строительных плошадках в непосредственной близости от промышленных или гражданских сооружений. Методы расчёта укрытий при взрывании в карьерах уступов с боковой, торцевой и верхней горизонтальной свободными поверхностями отбиваемого массива отсутствуют.

Исследование работы газопроницаемого укрытия из связанных между собой упругих элементов в виде изношенных шин диаметром 1,5 м и массой около 280 кг, выполнено нами на материалах многих экспериментальных массовых взрывов, проведенных совместно с ОАО «Амурвзрывпром».

В предлагаемой методике расчёта массы укрытия основой является ударный импульс, действуюший на укрытие от взрыва скважинного заряда. Процесс перемешения укрытия вместе с горной массой на предельную высоту предлагается разделить на два этапа: 1 - действие ударного импульса взрыва (от начала детонации до начала движения укрытия); 2 - движение укрытия с горной массой от поверхности блока до верхней точки подъёма. На первом этапе ударный импульс сообшает укрытию начальную скорость для после-дуюшего его подъёма, поэтому для расчётов использованы основные положения и уравнения теории удара. На втором этапе для расчётов использована теорема о движении центра масс укрытия как механической системы, состояшей из одинаковых упругих элементов, ибо под действием сил тя-

жести укрытие равнозамедленно движется вверх. Силой давления взорванной горной массы на укрытие при движении можно пренебречь, потому что начальные скорости, сообшенные ударным импульсом взорванной массе и укрытию, практически одинаковы.

Для определения величины ударного импульса, придаюшего упругому элементу начальную скорость УСго ,

воспользуемся теоремой об изменении количества движения при ударе

тП1 - тП0 = Буд ,

где П0 - скорость центра тяжести упругого элемента в начале удара; П1 - скорость центра тяжести упругого элемента в конце удара; вул - ударный импульс от взрыва скважинного заряда, действуюший на укрытие.

Согласно теории удара действием неударных сил (силы тяжести) за время удара пренебрегаем, и считаем укрытие во время удара неподвижным. Поскольку в начальный момент удара упругий элемент находился в покое ( п0г = 0), сообшенный укрытию при взрыве скважинного заряда (с учетом того, что скорость в конце удара равна начальной скорости центра масс укрытия при подъеме п1г = УСго), вертикальный ударный импульс равен

(1)

Sf = mulz = mVc

При укрытии отдельной скважины несколькими упругими элементами их укладывают симметрично относительно оси скважины, иначе при взрыве укрытие может смешаться в сторону с большей массой, а с противоположной стороны возможен вылет кусков взорванной породы.

Ударный импульс, действуюший на укрытие, зависит от основных пара-

метров взрыва скважинного заряда. Для зарядов рыхления RB < W, где RB - радиус воронки взрыва. Закон распределения вертикальной составляющей действующего на укрытие по основанию воронки взрыва ударного импульса нелинейный, близкий к шаровому сегменту (рис. 1), т. е. ударный импульс

V

S = дУЛ ,

уд z С ' sb

где sy - удельный ударный импульс (интенсивность ударного импульса, действующего на укрытие); Vœr - объем шарового сегмента, по которому распределен ударный импульс, действующий на основание воронки взрыва, м3, SB - площадь основания воронки взрыва, м2.

В развернутом виде получим:

S = sy"

уд z

W

3n2

(V 1 + n2 -1)2 (2V1 + n2 +1) , (2)

RB

где п = —- показатель действия Ш

взрыва.

Таким образом, ударный импульс, действуюший на укрытие при взрыве сосредоточенного скважинного заряда, зависит от глубины заложения заряда (ДНС) и показателя действия взрыва.

Согласно рекомендациям Союзвз-рывпрома [1], величина сосредоточенного заряда рыхления определяется по формуле

О = 0,33а ■ V ,

^■3 > ^нв ив '

где 0,33 - численное значение функции показателя действия взрыва; анв

- расчетный удельный расход ВВ для заряда нормального выброса, кг/м3;

Унв - объем воронки заряда нормального выброса, м3.

Глубина заложения заряда зависит от массы заряда: с увеличением массы ВВ растёт глубина заложения заряда при неизменном показателе действия взрыва. Ударный импульс на укрытие передаётся через разрыхленную взрывом породу, следовательно, его величина зависит от факторов, влияющих на перераспределение энергии взрыва (на дробление, выброс газовой струи из зарядной полости и выброс разрыхленной породы). Общеизвестно, что большое влияние на перераспределение энергии взрыва оказывают забойка скважины и число свободных поверхностей взрываемого объема пород. Следовательно, ударный импульс, действующий на укрытие от взрыва сосредоточенного заряда рыхления, зависит от глубины заложения заряда, типа забойки и количества свободных поверхностей. Формула (2) окончательно принимает вид

= ^ ^кк,к2,

где кп =

(V1 + п2 -1)2 (2л/1 + п2 +1)

3п2

коэффициент, учитывающий показатель взрыва (постоянный для зарядов рыхления); к1 - коэффициент, учитывающий влияние забойки; к2 - коэффициент, учитывающий наличие дополнительных свободных поверхностей взрываемого массива; удельный ударный импульс Буд определен на основе экспериментальных данных, полученных при видеосъемках полигонных взрывов.

По величине ударного импульса, который сообщит укрытию данный скважинный заряд, можно определить необходимую массу укрытия Му, при

которой его подброс не превышает заданную (расчётную) высоту Ьу. Расчётная высота задается из условия вспучивания разрушенной породы (порядка 2...6 м).

Расчетная масса укрытия определяется из основного уравнения теории удара. Исходя из уравнения (1), масса укрытия равна:

М =

я

Рис. 1. Распределение вертикального ударного импульса по основанию воронки рыхления

Экспериментальные полигонные взрывы отдельных скважинных зарядов и экспериментальные массовые взрывы с применением укрытия из упругих элементов производили в различных карьерах, горные породы в которых представлены доломитами VIII

5 II

-с

41 и

0

1

о с

в □

1 о

3

2

4

V ■ 1

1М

12 III 0 4 Время г, с

Рис. 2. Динамика перемещения укрытия во времени при различные типах забоек: 1 - без забойки; 2 — засыпная забойка; 3 - бетонная забойка; 4 - комбинированная забойка

I ц|оо(1

й

с!

г

| едва

и |

5 ,,

ш к

Е п

Е

л 1

и ЯГ 1- 1 И — п

= I4) |й :: я

ю ®

о О Еш

к О Н

а.

Рис. 3. Ударные импульсы, действующие на укрытие при различные типах забоек

категории крепости, известняками VIII категории крепости и гранодиоритами IX категории крепости по СНиП.

Видеосъёмки взрывов осушествля-ли цифровыми видеокамерами типа NV-GS25 с 24-кратным оптическим увеличением и частотой съёмки 25 кадр/с. По кадрам видеосъёмки составляли видеограммы взрывов.

Определено влияние глубины заложения заряда (глубины скважины) на ударный импульс, действуюший на укрытие. Выявлено, что для удлинен-

ных зарядов рыхления глубина скважины практически не влияет на величину ударного импульса, дейст-вуюшего на упругие элементы укрытия - значения ударного импульса лежат в пределах (9,34.9,72)х103 кг ■ м/с (вариация около 4 %).

Влияние забойки на ударный импульс, дейст-вуюший на укрытие, было выявлено в серии экспериментальных взрывов одиночных скважинных зарядов с равной массой ВВ и глубиной их заложения, но с разными типами забоек.

Сравнивая параметры перемешения укрытия из упругих элементов (рис. 2) можно сделать ряд заключений. Забойка скважин в значительной мере влияет на распределение энергии взрыва на рыхление и на выброс породы: чем дольше удерживается забойка в скважине, тем большая доля энергии взрыва идет на дробление горной породы, и меньшая - на ее выброс. Это подтверждают и гистограммы ударных импульсов, действуюших на укрытие (рис. 3) при разных типах забоек скважин.

Наименьшая высота подброса, а, следовательно, и наименьший ударный импульс, действуюший на укрытие, выявлен при взрыве без забойки. Это связано с тем, что часть продуктов взрыва, произведя удар по стенкам зарядной полости, вырываются в атмосферу, не участвуя в дальнейшей работе взрыва.

Таблица

Значения коэффициента к1, учитывающего влияние типа забойки на ударный импульс

Тип забойки Показатель Объем воронки Коэффициент

взрыва взрыва, м3 учета забойки к1

Без забойки 0,74 1,83 0,43

Засыпная 0,79 2,01 1,00

Бетонная 0,93 2,92 0,88

Комбинированная 1,13 3,73 0,56

■с

3

о &

в о с

I»

Ё

0 (1

1

6,(1

5,0

4.0

}.0

2.0

1.0

4

1

.1 ЧЛ. 2

0 4

0.8

2.0

2.4

2 8

1.2 1й бремя I, с

Рис. 4. Динамика перемещения укрытия во времени при различных расстояниях от оси скважины до верхней бровки уступа: 1 - 2 м; 2 - 2 м; 3 - 3 м; 4 - 4 м

Рис. 5. Ударные импульсы, действующие на укрытие при различных расстояниях от оси скважины до верхней бровки уступа

Наибольшая высота подброса и соответственно наибольший ударный

импульс на укрытие получен при засыпной забойке - судя по параметрам воронки разрушения, произошел взрыв на выброс.

Бетонная забойка достаточно надежно запирает продукты детонации зарядов, но в случае бетонной забойки над воздушным промежутком значительная часть энергии взрыва идет на перемещение укрытия с горной массой - высота подброса достигает

2,7.3,0 м, против 1,5.1,7 м у комбинированной забойки, т. е. почти вдвое больше. Следовательно, основная энергия запертых комбинированной забойкой газов взрыва пошла именно на дробление горной массы и меньшая часть - на подброс укрытия и выброс горной массы.

Коэффициент к1 для засыпной забойки принят равным единице, для остальных забоек значения поправочного коэффициента определены по отношению к засыпной забойке. Полученные для известняков VIII категории крепости по СНиП значения к1 приведены в таблице.

Известно, что большое влияние на процесс разрушения горных пород взрывом имеет наличие свободных поверхностей взрываемого массива. Сдвижение породы при ее разрушении происходит в сторону открытых поверхностей. Дополнительные открытые поверхности обеспечивают образование в массиве дополнительных отраженных волн растяжения, увеличиваю-ших эффект разрушения: объём разрушения у взрываемого заряда увеличивается примерно пропорционально числу открытых поверхностей массива, так как взрыв происходит в более благоприятных условиях [4].

При проведении взрывных работ под укрытием с одной свободной поверхностью укрытие работает в наиболее жёстких условиях - при взрыве скважины на уступе с двумя свободными поверхностями вертикальный ударный импульс на укрытие значительно уменьшается, поскольку сдвижение пород и выброс кусков происходит пре-имушественно в сторону откоса уступа.

Для определения коэффициента к2, учитывающего наличие дополнительной открытой поверхности, был произведен экспериментальный массовый взрыв скважинных зарядов на уступе в известняках VIII категории

крепости по СНиП. По полученным данным для скважин с одинаковыми забойками построены графики зависимости высоты подброса шины от времени (рис. 4) и гистограммы вертикальных ударных импульсов, дейст-вуюших на укрытие (шину) (рис. 5).

При прочих равных условиях величина ударного импульса, действуюше-го на упругие элементы укрытия от взрыва скважинного заряда, при свободном откосе составляла БСД = 2,91 х103 кг-м/с, при наличии упругих элементов пригруза на откосе - Б^Д =

3,21 х103 кг-м/с. Упругие элементы на откосе создают давление на уступ, уменьшая влияние дополнительной свободной поверхности и увеличивая вертикальный ударный импульс на укрытие. В расчётах это учитывается ко-

эффициентом kn =

суд

Sn

суд SC

= 1,1.

Таким образом, предложена методика расчета газопроницаемого укрытия из упругих элементов, связанных в единый мат, учитываюшая влияние типа забойки и количества свободных поверхностей взрываемого блока с помошью коэффициентов, определяемых экспериментальных путем для конкретных условий.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основные положения по применению укрытий от разлета породы при взрывах на рыхление. / Сост. Ф.А. Авдеев. — Центральное бюро технической информации. -М., 1967. - 45 с.

2. Инструкция по производству взрывных работ с зашитными укрытиями. ВСН 281-71 /. Сост. И.З. Дроговейко, В.Ё. Барон, Е.М. Двоскин, А. В. Бахтин. - Согласована Гос-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

гортехнадзором СССР № 02-1-40/174 от 11.05.1987 г. - М., 1987. - 19 с.

3. Авдеев Ф.А., Южаков C.B. Новый вид защиты от разлета кусков породы при взрывах // Взрывное дело № 61/18. М.: Недра. 1966. С. 218-223.

4. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом / Б.Н. Кутузов. - М.: Изд-во МГИ, 1992. - 516 с. S2E

Лешинский Александр Валентинович - профессор, доктор технических наук, Шевкун Евгений Борисович - профессор, доктор технических наук, Лукашевич Надежда Кимовна - доцент, кандидат технических наук, Тихоокеанский государственный университет.