CC BY
70
5. Gendler S.G., Kovshov S.V., Shipika E.S. Ustanovka dlja podogreva naruzhnogo vozduha: pat. RF №2016149908; zajavl. 19.12.2016. // Patent Rossii № 171440, 31.05.2017. Bjul. № 16.
6. Portola V.A. Jeffektivnost' podogreva vozduha v shahtah putem prjamogo szhi-ganija metana// Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2015. №2. S.62-64.
7. Timofeevskij L.S. Holodil'nye mashiny// Izd. Politehnika. 1997. 499 s.
8. Shipika E.S. Gendler S.G. Osnovnye napravlenija ispol'zovanija prirodnyh isto-chnikov jenergii dlja podogreva naruzhnogo vozduha v ugol'nyh shahtah. Promyshlennaja bezopasnost' predprijatij v mineral'no syr'evom komplekse v XXI veke // GIAB (nauchno-tehnicheskij zhurnal). Mining Informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2017. № 4 (spec, vypusk 5/1). S. 228-235.
9. Shuvalov Ju.V. Regulirovanie teplovogo rezhima shaht i rudnikov Severa// Izd. LGU, 1988. 192 s.
УДК 622.235
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ
МАССИВА В ХОДЕ ПРОВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
К.А. Головин, P.A. Ковалев, А.Б. Копылов
Проанализированы результаты исследований процесса дробления горных пород в зависимости от коэффициента полезного действия взрыва, удельного расхода ВВ и потенциальной энергии ВВ.
Ключевые слова: массив горных пород, заряд ВВ, воронка выброса, ударная волна, зона разрушения, энергоемкость.
Для разрушения (взрывания) массива горных пород с целью проходки в них выработки или их дробления при добыче применяют заряды ВВ: наружные (накладные), внутренние, расположенные в шпуре, скважине или камере. Наружные заряды применяются в основном для дробления крупных негабаритных кусков породы, внутренние - для проходки выработок и отбойки пород с целью их дробления и последующей переработки.
Деление зарядов на сосредоточенные и удлиненные условно, так как с увеличением длины заряда h/d^>3 растет зона радиального разрушения вокруг заряда. Правильнее было бы считать удлиненным такой заряд, при увеличении длины которого зона радиального разрушения не увеличивается. Но поскольку для разных ВВ, диаметра зарядов и разных пород величина отношения Шъ>Ъ разная, этот принцип трудно применить на практике [1].
При взрывных работах преимущественно применяют сплошные удлиненные заряды, не разделенные промежутками, и реже - рассредото-
ченные, в которых заряд разделен на части промежутками воздуха, мелкой породы, воды и т.п.
По характеру действия различают заряд камуфлета - взрыв которого разрушает массив породы вокруг заряда, но не проявляется на поверхности (рис. 1, а); заряд откольный, при взрыве которого происходит откол породы у открытой поверхности и разрушение вокруг заряда (рис. 1, б); заряд рыхления, вызывающий дробление породы (рис. 1, в) на всем расстоянии от центра заряда до открытой поверхности в объеме воронки взрыва; заряд выброса - вызывающий дробление и выброс породы за пределы воронки взрыва (рис. 1, г). Изменение характера действия заряда может быть достигнуто как уменьшением глубины заложения заряда постоянной величины (рис. 2,а), так и увеличением массы заряда при постоянной глубине заложения (рис. 2,6).
а
б
в
Рис. 1. Схема действия взрыва различных зарядов
Рис. 2. Способы изменения характера действия взрыва
На рис. 2 видно, что с приближением заряда постоянной массы к открытой поверхности или с увеличением его массы он превращается из заряда камуфлета 1 в заряд рыхления 2 и выброса 3. Результаты действия этих зарядов (формы полости или воронки) обозначены соответственно Г, 2' и 3'.
Форма образовавшейся воронки зависит от свойств взрываемой среды. При расчетах одиночных сосредоточенных зарядов для упрощения
расчетов форму воронки взрыва принимают в виде опрокинутого конуса вращения с вершиной в центре заряда [1, 4, 7].
Заряд выброса применяют главным образом при строительстве плотин, каналов и образования выемок; камуфлетные для получения подземных полостей и в исследовательских целях. При добыче полезных ископаемых для дробления массива до заданной кусковатости при ограниченном разбросе взорванной массы применяют в основном заряды рыхления.
Взрыв в горных породах характеризуется нестационарным характером распространения полей напряжений, различием механических констант пород в статическом и динамическом режимах, быстротечностью процесса разрушения, высокими напряжениями и проявлениями в среде нарушений сплошности перед окончательным завершением процесса разрушения.
Развитые в научных трудах Г.И. Покровского, O.E. Власова, А.Н. Ханукаева, Ф.И. Кучерявого, М.Ф. Друкованного, Г. Кольского, К.Б. Броберга, Р. Коула и других ученых положения о разрушении горных пород взрывом характеризуют различные стороны этого процесса, устанавливают закономерности его протекания, определяют результаты механического действия взрыва [4- 6]. Благодаря научной разработке основных проблем и обширной практической проверке создана достаточно надежная методика расчета параметров взрывного разрушения горных пород для решения конкретных задач в горном деле и строительстве.
В результате взрывчатого разложения ВВ образуются продукты взрыва, огромное давление которых, будучи приложенным к стенкам зарядной камеры, передается в другие точки среды в виде поршневого действия: на расстояние 1-5 диаметров заряда в среде распространяется ударная волна, изменение напряжения на фронте которой происходит скачком, а скорость распространения превышает скорость звука в горной породе; на расстояниях 5-100 диаметров зарядов ударная волна переходит в волну напряжения, для которой характерно плавное нарастание, спад величины напряжения и распространение со скоростью звука; в зоне с радиусом, превышающим 100 диаметров заряда, со скоростью звука распространяются сейсмические волны с характерным синусоидальным колебанием среды. Выделенные зоны действия взрыва принципиально различаются между собой не только формой и скоростью распространения волны, но и условиями их затухания. В связи с этим процесс разрушений приурочен к двум первым зонам, где распространяется достаточно мощная волна сжатия [2, 9, 10].
При описании процесса разрушения взрывом скального монолитного массива учитывается, что скорость детонации ВВ значительно выше скорости распространения волн напряжений в породе. Поэтому поверхность породы воспринимает действие взрыва одновременно по всей площади его соприкосновения с массивом.
На поверхности раздела заряд - порода детонационная волна переходит в ударную с весьма высокой амплитудой. Ударная волна вызывает сильное измельчение породы, находящейся в условии всестороннего неравномерного сжатия. По данным проф. Г.И. Покровского по мере удаления от заряда амплитуда ударной волны резко снижается обратно пропорционально пятой или шестой степени радиуса заряда, и на расстоянии пяти - шести радиусов заряда превращается в упругую волну напряжения, скорость распространения которой меньше, чем ударной волны, и равна скорости звука в породе [4]. Однако напряжения на фронте взрывной волны остаются значительно выше прочности породы на раздавливание, вследствие чего после ее прохождения наблюдается интенсивное разрушение массива, часто с потерей им первоначальной структуры. Эту зону принято характеризовать как зону пластического действия взрыва. Она обычно ограничена 10-12 радиусами заряда. После прохождения взрывной волны определенное разрушительное действие в этой зоне производят и газы взрыва, находящиеся под чрезвычайно высоким давлением (20 -
Порода вблизи заряда под указанным воздействием взрывной волны и газов взрыва быстро сжимается и смещается вслед за фронтом волны напряжений. В результате этого образуется сильно деформированная зона с системой многочисленных пересекающихся трещин (рис. 3).
Рис. 3. Схема разрушения монолитной крепкой породы вокруг заряда: а - зона измельчения; б - зона трещинообразования
По мере удаления от заряда напряжения на фронте взрывной волны снижаются и на определенном расстоянии становятся меньше сопротивления породы раздавливанию, вследствие чего характер деформации и разрушений среды меняется.
70) 108 Па.
Под действием прямой волны напряжений и сжатых газов взрыва, распространяющихся от заряда, в среде в радиальном направлении возникают сжимающие напряжения, а в тангенциальном - растягивающие, которые и вызывают появление радиальных трещин (рис. 4). Кроме того, порода под действием высокого давления деформируется, и радиусы условно выделенных вокруг заряда сфер Г\ и Г2 увеличиваются. Вследствие этого порода в тангенциальном направлении испытывает растягивающие напряжения, которые и обеспечивают развитие в массиве радиальных трещин.
а | б
Рис. 4. Схема образования радиальных и кольцевых трещин
вокруг заряда
Определенное влияние на раскрытие трещин оказывают и расширяющиеся газы взрыва. Опыты, проведенные проф. В.Н. Комиром на образцах, позволили определить количество газов, проникающих в трещины. Для этого в заряд ВВ добавляли тонко измельченный кристаллический йод и по проценту кристаллов, осевших на стенках трещин, откуда их смывали ацетоном или эфиром, после взрыва определяли процент газообразных продуктов взрыва, проникших в трещины. Опытами установлено, что при взрыве без забойки в трещины проникает 30 - 40 %, а при взрыве с забойкой более 70 % газообразных продуктов [1, 11]. Однако установить количественное влияние газов взрыва на разрушительный эффект в массиве пород пока невозможно.
При дальнейшем удалении волны напряжений от заряда растягивающие тангенциальные напряжения снижаются и становятся меньше величины сопротивления породы разрыву. Поэтому за пределами этого расстояния разрушения не происходит, а имеются только колебательные смещения частиц породы.
После снижения давления газов в центре взрыва сильно сжатая порода разгружается и смещается к центру заряда, за счет чего условный радиус сферы уменьшается, а участки породы, прилегающие к полости, испытывают напряжения растяжения и образуются концентрические трещи-
ны. В результате этого в породе появляется ряд кольцевых трещин (рис. 4, б).
При рассмотрении схемы действия камуфлетного взрыва на скальный массив проф. Г. И. Покровский выделил четыре стадии воздействия продуктов детонации на горную породу [4].
На первой стадии действия взрыва детонационная волна (у=4...6 км/с) выходит на поверхность контакта ВВ — порода, на последней - генерируется ударная волна (у= 3...5 км/с), напряжения на фронте которой на несколько порядков превышают предел прочности породы на сжатие.
При этом ударная волна производит интенсивное мелкодисперсное дробление породы (на частицы размером в доли миллиметра). Теоретические оценки показывают, что на этой стадии радиус действия взрыва промышленных ВВ очень незначителен (0,3 -т- 0,5) Гз и не достигает более одного радиуса заряда. В области действия ударной волны имеет место интенсивная диссипация энергии вследствие как разрушения породы, так и повышения энтропии разрушенной массы. При этом происходит быстрое уменьшение амплитуды ударной волны и уменьшение скорости ее распространения. В момент, когда скорость распространения ударной волны уменьшается до скорости распространения продольных волн
с\ = - V)/[/?( ! + у)(1 - 2у)] , ударная волна превращается в упругую и начинается вторая стадия волнового упругого динамического воздействия взрыва заряда ВВ на породу. Напряжения на фронте упругой волны существенно больше предела прочности породы на сжатие, поэтому передний фронт распространения упругой волны является одновременно и фронтом поверхности разрушения породы.
На второй стадии имеют место расширяющаяся полость, заполненная газообразными продуктами детонации, и зона мелкодисперсного дробления породы. Давление газов в полости передается через раздробленную массу на передний фронт упругой волны, разрушающей породу. В процессе распространения упругой волны напряжения уменьшаются как в результате диссипации энергии при разрушении породы, так и вследствие расхождения — увеличения длины фронта с увеличением радиуса его поверхности. В момент, когда амплитуда переднего фронта упругой волны уменьшается до значений динамической прочности породы, начинается третья стадия динамического безволнового нагружения породы.
Для третьей стадии характерно формирование нескольких зон деформирования и разрушения породы: зона мелкодисперсного дробления породы (зона активного разрушения) в результате действия продуктов детонации; зона радиального трещинообразования породы (зона регулируемого разрушения); зона упругого деформирования (зона нерегулируемого разрушения горных пород).
На третьей стадии действия взрыва наблюдаются передний фронт упругой волны, распространяющейся в массиве, фронт радиального тре-щинообразования и фронт ее мелкодисперсного дробления.
В конце третьей стадии действия взрыва в ближней зоне возникает уравновешенное напряженно-деформированное состояние, и из упругой волны выделяется сейсмическая волна.
В четвертой стадии в результате воздействия взрыва на массив образуются кольцевые - тангенциальные трещины в зонах радиального тре-щинообразования и упругого деформирования. Кольцевые трещины образуются при следующих условиях. Из полости взрыва в определенный момент, по многочисленным трещинам продукты взрыва прорываются в атмосферу, вследствие чего происходит резкое падение давления, приводящее к разгрузке сжатой породы в зонах радиального трещинообразования и упругого деформирования. При этом возникает движение частиц породы к центру заряда и появляются растягивающие радиальные напряжения, под влиянием которых и возникают кольцевые трещины вокруг полости
[1,8Д2].
Рассмотрим более подробно три зоны разрушения горных пород.
I - зона активного разрушения горных пород взрывом (зона мелкодисперсного дробления) при скорости развития трещин, близкой к скорости волн Релея.
В этой зоне, где удельная плотность энергии, выраженная через удельный расход ВВ q = 0,125рС^ / где ц - удельный расход ВВ, кг/м ;
0\' - потенциальная энергия ВВ, Дж/кг; рСр - акустическая жесткость пород, кг/мЗ-м/с соответствует предельной скорости перевода упругой энергии в поверхностную энергию трещин, разрушение происходит по всей сети естественно распределенных в массиве трещин. Радиус этой зоны активных трещин может быть определен выражением Щ < 1,25^ЩО^рСр ,
м.
Создание в этой зоне удельной плотности энергии, превышающей указанное значение £/, не ведет к улучшению качества дробления, так как рост трещин в этом случае замедляется ввиду их ветвления, но повышается эффект выброса, вследствие перехода действия зарядов из области дробления в область выброса.
II - зона регулируемого разрушения горных пород взрывом (зона радиального трещинообразования породы), где удельная плотность энергии значительно меньше ее предельной величины. В этой зоне по мере увеличения удельной плотности энергии наблюдается повышение скорости роста трещин, предельное значение которой стремится к скорости волн Релея. Ускоренное развитие трещин начинается при значениях удельной плотности энергии на порядок меньше тех значений, которые обусловливают его предельное развитие. Тогда при q = ^ylЪpCp I Qv и
с] = 0/А!радиус зоны регулируемого разрушения горных пород взрывом составит 1,25 ^¡QQv/pCp < R2 < 2,65 3/QQvjpCp .
Управление степенью дробления горных пород взрывом в этой зоне возможно в пределах энергоемкости качественного дробления путем повышения удельной плотности энергии без перевода действия зарядов из области дробления в область выброса.
III - зона нерегулируемого разрушения горных пород взрывом (зона упругого деформирования), где удельная плотность энергии меньше, чем в зоне II, характеризуется тем, что разрушение происходит лишь по наиболее развитым дефектам и имеет в целом вероятностный характер. Радиус зоны нерегулируемого разрушения составит соответственно
R3 > 2,65 pQvjpCp .
Управление степенью дробления горных пород в этой зоне без перевода пород в другую зону путем повышения удельной плотности энергии практически исключается.
Таким образом, физически достижение предельной энергоемкости качественного дробления возможно лишь в объеме определенного радиуса Ri при такой плотности энергии, когда в среде равномерно и устойчиво распространяются трещины при предельной скорости их развития, близкой к скорости волн Релея. При снижении плотности энергии разрушение с предельной скоростью развития трещин охватывает лишь часть разрушаемого объема и общее качество дробления снижается. При повышении плотности энергии рост трещин начинает замедляться ввиду их ветвления, что также ухудшает качество дробления при одновременном увеличении кинетической энергии выброса [3].
На основе анализа результатов рассмотренных исследований процесса дробления горных пород создаются многовариантные машинные методы расчета параметров БВР которые обеспечат повышение качества дробления горных пород применительно к избранной технологии и оборудованию.
Список литературы
1. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ. Ч. 1. Разрушение горных пород взрывом: учебник для вузов. 2-е изд. стер. М.: Горная книга, 2009. 471 с.
2. Мосинец В.Н., Пашков А.Д., Латышев В.А. Разрушение горных пород. М.: Недра, 1975. 216 с.
3. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М.: Недра, 1976. 271 с.
4. Покровский Г.И., Федоров И.С. Действие удара и взрыва в деформируемых средах. М.: Госстройиздат, 1975. 276 с.
5. Друкованный М.Ф. Методы управления взрывом на карьерах. М.: Недра, 1973. 416 с.
6. Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом. М.: Госгортехиздат, 1962. 246 с.
7. Авдеев Ю.Г., Копылов А.Б. Управление взрывной технологией. Новые предложения//Изд.ТулГУ, Тула. 2008. 110 с.
8. Новые технологии ведения взрывных работ/ В.А. Белин, М.Г. Горбонос, С.К. Мангуш, Б.В. Эквист//ГИАБ. 2015. № S1. С. 87-102.
9. Артемьев Э.П., Рождественский В.Н., Ермолаев А.И. Управление энергией взрыва на карьерах//Изв.УГГГА. Сер. «Горное дело». Екатеринбург, 2000. Вып.11. С.153-155.
10. Падуков В.А., Маляров И.П. Механика разрушения горных пород при взрыве. Иркутск: ИГУ, 1985. 128 с.
11. Оценка параметров взрывного дробления горных пород на карьерах / В.А. Белин, Г.М. Крюков, П.А. Вавер, С.Н. Жаворонко// Взрывное дело. 2009. № 102-59. С. 69-80.
12. Обзор существующих систем управления взрывом промышленных ВВ /Е.В. Колганов [и др.]//Взрывное дело. 2010. Т. 104-61. С. 157-174.
Голован Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., kagolovin(a>,mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, проф., kovalevdekan(a>,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Копылов Андрей Борисович, д-р техн. наук, проф., toolart(a),mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RAISING TECHNOLOGICAL EFFICIENCY OF SHOTFIRING BY MEANS OF MANAGING RUPTURED ZONE PARAMETERS
K.A. Golovin, R.A. Kovalev, A.B. Kopylov
Results of researching crushing mining rocks subject to explosion coefficient of efficiency, explosive material specific consumption and potential energy of explosive material were analyzed.
Key words: rock massif, bomb, ejection crater, shock wave, ruptured zone, energy intensity.
Golovin Konstantin Alexandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, kago-lovin(a>,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kovalev Roman Anatolievich, Doctor of Technical Sciences, Professor, kovalevdek-an(a>,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
H3BecTH5i Tyjiry. HayKn o 3eMjie. 2017. Bbin. 4
Kopilov Andrei Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, toolart(a),mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Kutuzov B.N. Metody vedenija vzryvnyh rabot. Chast' 1. Razrushenie gornyh porod vzryvom. Uchebnik dlja vuzov. 2-e izd. ster. M.: Gornaja kniga. 2009. 471 s.
2. Mosinec V.N., Pashkov A.D., Latyshev V.A. Razrushenie gornyh porod. M.: Nedra, 1975. 216 s.
3. Mosinec V.N. Drobjashhee i sejsmicheskoe dejstvie vzryva v gornyh porodah. M.: Nedra, 1976. 271 s.
4. Pokrovskij G.I., Fedorov I.S. Dejstvie udara i vzryva v deformiruemyh sredah. M.: Gosstrojizdat, 1975. 276 s.
5. Drukovannyj M.F. Metody upravlenija vzryvom na kar'erah. M.: Nedra, 1973.
416 s.
6. Hanukaev A.N. Jenergija voln naprjazhenij pri razrushenii porod vzryvom. M.: Gosgortehizdat, 1962. 246 s.
7. Avdeev Ju.G., Kopylov A.B. Upravlenie vzryvnoj tehnologiej. Novye pred-lozhenija// Izd.TulGU, Tula. 2008. 110 s.
8. Novye tehnologii vedenija vzryvnyh rabot/ V.A. Belin, M.G. Gorbonos, S.K. Mangush, B.V. Jekvist // GIAB. 2015. № SI. S. 87-102.
9. Artem'ev Je.P., Rozhdestvenskij V.N., Ermolaev A.I. Upravlenie jenergiej vzryva na kar'erah//Izv.UGGGA. Ser. Gornoe delo. Ekaterinburg, 2000. Vyp.ll. S.153-155.
10. Padukov V.A., Maljarov I.P. Mehanika razrushenija gornyh porod pri vzryve// Irkutsk: IGU, 1985. 128 s.
11. Ocenka parametrov vzryvnogo droblenija gornyh porod na kar'erah / V.A. Belin, GM. Krjukov, P.A. Vaver, S.N. Zhavoronko//Vzryvnoe delo. 2009. № 102-59. S. 69-80.
12. Obzor sushhestvujushhih sistem upravlenija vzryvom promyshlennyh VV / E.V. Kolganov [i dr.]//Vzryvnoe delo. 2010. T. 104-61. S. 157-174.
