CC BY
24
© Н.П. Михайлов, Е.А. Знаменский, И.В. Бригадин, В.М. Губайдуллин, М.В. Голуб, 2016
УДК 550.344; 550.348; 622.245
Предложен принципиально новый подход к проблеме разрушения горных пород на основе применения имплозивных зарядов, при использовании которых реализуется режим разрезания. Представлены результаты теоретических проработок и полигонных экспериментов. Показана перспективность применения и экономическая эффективность реализации новых технологических процессов.
Ключевые слова: взрывное разрушение, взрывное разрезание, билинейный заряд, имплозия, отраженная волна, прочность на разрушение, давление фазового перехода, чрезвычайные ситуации, негабарит.
Введение
Одним из элементов, определяющих конкурентоспособность горнодобывающих предприятий в целом, является эффективность взрывного разрушения пород [1]. Повышение эффективности требует постоянного изучения этих процессов для выработки новых идей с последующим внедрением в практику и технику взрывного дела.
Идеи взрывного разрушения востребованы и в других областях жизнедеятельности человека. Например, чрезвычайные ситуации, независимо от характера и причин их возникновения, порождают сложные инженерные задачи, связанные с выполнением больших объемов аварийно-спасательных и других неотложных работ [2]. Сложность, опасность и ограниченные сроки их выполнения определяют необходимость широкого использования энергии взрыва [3, 8—10]. Тому подтверждением являются статистические данные о внезапном обрушении горных пород, формировании оползней и селей, создании, как следствие, труднопроходимых участков путей сообщения.
Теоретические основы технологии
ударно-волновой резки
В настоящее время основным средством резки материалов и пород взрывом являются кумулятивные заряды (КЗ). При резке большой толщины значительно увеличивается масса КЗ, что требует применения специальных дорогостоящих мер защиты окружающей среды и объектов от действия взрыва. Более эффективно использование технологии ударно-волновой резки.
Конструкция ударно-волнового заряда
В отличие от кумулятивной, ударно-волновая резка основана на использовании экстремальных (Маховских) режимов интерференции ударных волн, образованных при синхронной детонации параллельных зарядов на поверхности преграды [4—7]. В волне Маха давление превышает давление фазового перехода в материале, что вызывает его разрушение.
В результате теоретических и экспериментальных исследований в БГТУ «ВОЕНМЕХ» разработана конструкция ударно-волнового заряда [4, 7], которая представлена на рис. 1.
Математическая модель ударно-волнового заряда
Для совершенствования технологии ударно-волновой резки проведены теоретические исследования разрушения преград имплозивными (симметрично сходящимися) ударными волнами. Разработаны физические и математические модели, описываемые системами уравнений (1) и (2).
Математическая модель динамического нагружения.
Основные уравнения движения сплошной среды:
йО йБ йГ
+-+-
М йх йу
+
+
= 0
(1)
2
В
Рис. 1. Конструкция ударно-волнового заряда 314
где
О =
^р >
ри рv
Vе /
(
Е(О) =
ри ри2 + р рию
(е + р)и
\
(
1 /
е = р£ + ^ р(и
р(О) =
2) •
рю
рию
рю2 + р (е + р)ю
Уравнение внутренней энергии и уравнение состояния: в(р, Т) = в х (р) + гт (р, Т); р(р, Т) = рх (р) + ру(р)с0Т.
(2)
где
У(р) = У о -У1 — • ро
Разрушение происходит в результате разгрузки материала за фронтом волны Маха и позволяет эффективно резать преграды толщиной до 1500 мм и более.
Ударно-волновая резка пород билинейными зарядами
На базе ООО «Промстройвзрыв» проведены испытания по резке горных пород имплозивными ударными волнами. Для резки применялись билинейные заряды (БЛЗ) на основе нитро-нита и гельпора. Физическая сущность ударно-волновой резки заключается в формировании и последующем взаимодействии достаточно сложного и «капризного» цуга ударных и отражен-
Рис. 2. Изменение давления при многоволновом нагружении
Рис. 3. Разрезание бетонного блока БЛЗ
ных волн. В результате суперпозиции отраженных волн разрушение пород осуществляется отрывом, что требует меньших энергетических затрат.
Схематично характер изменения давления при многоволновом нагружении показан на рис. 2. Здесь зависимостям 1, 2 и 3 соответствуют условно различные массы зарядов.
Экспериментальное подтверждение физической картины многоволнового нагружения БЛЗ проведено предварительно на бетонных блоках (рис. 3).
Испытания БЛЗ проводились при ликвидации нависа-ний (козырьков) гранитных блоков на верхних кромках бортов траншеи автотрассы. Размеры блоков до 3,1x1,3x1,5 м. Площадь реза до 3,5 м2. БЛЗ располагались по поверхности блока двумя параллельными рядами по линии реза. Расстояние между рядами — 100 мм (рис. 4).
Симметричное столкновение ударных волн в массиве обеспечивалось одновременным инициированием на одном из концов БЛЗ.
В результате подрыва наблюдалось сквозное разделение блока в плоскости симметрии БЛЗ. Удельный расход ВВ составил 1,26 г/см2, что в 2...5 раз меньше показателей при отколе массива сосредоточенным зарядом.
Рис. 4. Резание пород БЛЗ
Рис. 5. Конструкция имплозивного заряда
Разделка негабаритных блоков пород
имплозивными зарядами
Для разрушения негабаритных блоков на том же полигоне ООО «Промстройвзрыв» применялись специальные заряды, при взрыве которых реализуется режим имплозии. Конструкция заряда представлена на рис. 5. На этом рисунке показан заряд взрывчатого вещества 1 преимущественно цилиндрической формы, содержащий гнездо 2 под капсюль-детонатор. Со стороны противоположной гнезду в заряде установлена инертная деревянная вставка 3 заподлицо с торцевой поверхностью заряда, размер вставки меньше размеров заряда. В другом варианте инертная вставка 4 была утоплена в теле заряда.
Поскольку заряд изготовлялся из достаточно текучих ВВ (нитронит и гельпор) в основании гнезда устанавливалась эластичная мембрана в виде тампона.
Со стороны гнезда заряд может иметь также форму усеченного конуса.
В экспериментах проведено разрушение 11 негабаритных блоков. Поскольку эксперименты проводились в режиме поиска, то эффективность действия зарядов носит предварительный характер—удельный расход оценивается величиной 0,5— 0,6 кг/м3. Этот удельный расход в 2—3 раза превосходит показатели для типовых условий применения накладных зарядов из патронированных аммонита 6ЖВ и нитронита.
Выводы
1. Ударно-волновая резка пород является инновационной технологией.
2. Использование БЛЗ, реализующих резку волнами Маха, позволит существенно повысить эффективность взрывных работ.
3. При разделке негабаритных блоков имплозивными зарядами в 2—3 раза снижает удельный расход ВВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Закалинский В.М. Повышение эффективности взрывных работ при освоении месторождений полезных ископаемых // Взрывное дело. — 2013. — № 110/67. — С. 3—15.
2. Постановление Правительства РФ «О классификации ЧС природного и техногенного характера» от 13.09.96 г.
3. Кутузов Б.Н. Взрывные работы. — М.: Недра, 1988. — С. 232—235.
4. Михайлов Н.П. Технологические основы управления ударно-волновыми процессами. Докторская диссертация, СПб.: БГТУ «Воен-мех», 2001.
5. Чижова-Ноткина Е.А. Численное исследование динамического нагружения конденсированных сред. Кандидатская диссертация, СПб.: БГТУ «Военмех», 2003.
6. Михайлов Н.П., Бригадин И.В., Дорошенко С.И. Совершенствование технологии резки, сварки и упрочнения металлов // Взрывное дело. - 2013. - № 109/67. - С. 101-117.
7. Михайлов Н.П. Патент РФ № 2119398. Способ взрывного разрезания твердых материалов и устройство для его осуществления, 1998.
8. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ, ч. 2. Взрывные работы в горном деле и промышленности. - М.: Изд-во «Горная книга», МГГУ, 2008. - С. 57-92.
9. Мангуш С.К., Крюков Г.М., Фисун А.П. Взрывные работы при подземной разработке полезных ископаемых. Учебник для вузов. - М.: Изд. АГН, 2000.
10. Кутузов Б.Н. Справочник взрывника. - М.: Недра, 1988. итш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Михайлов Николай Павлович1 — доктор технических наук, профессор,
Бригадин Иван Владимирович2 — кандидат технических наук, научный консультант, e-mail: ivanbrigadin2008@ya.ru,
Знаменский Евгений Александрович1 — кандидат технических наук, доцент,
Губайдуллин Виталий Мэлиссович2 — генеральный директор, e-mail: mail@promstroyvzryv.ru, Голуб Михаил Викторович2 — ведущий специалист, e-mail: mail@promstroyvzryv.ru,
1 БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова,
2 ООО «Промстройвзрыв».
udc 550.344; N.P. Mikhaylov, E.A. Znamenskiy, I.V. Brigadin,
550.348; V.M. Gubaydullin, M.V. Golub
622.245 DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES
OF DESTRUCTION OF ROCKS IMPLOSIVE SHOCK WAVES
Proposed a fundamentally new approach to the problem of destruction of rocks on the basis of an implosion charges, which is implemented cutting mode. Presents the results of theoretical studies and field experiments. The prospects of employment and economic effectiveness of the implementation of new technological processes.
Key words: explosive destruction, explosive cutting, bilinear charge implosion, the reflected wave, tensile fracture, the pressure of the phase transition, emergency, oversized.
AUTHORS
Mikhailov N.P.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Brigadin I.V.2, Candidate of Technical Sciences, Scientific Consultant,
e-mail: ivanbrigadin2008@ya.ru,
Znamenskii E.A.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Gubaidullin V.M.1, General Director, e-mail: mail@promstroyvzryv.ru, Golub M.V.1, Leading Specialist, e-mail: mail@promstroyvzryv.ru, 1 VOENMEKh Baltic State Technical University after Ustinov, 190005, Saint-Petersburg, Russia, 1 Promstroivzryv LLC, 190031, Saint-Petersburg, Russia.
REFERENCES
1. Trubetskoy K.N., Viktorov S.D., Zakalinskiy V.M. Vzryvnoe delo. 1013, no 110/67, pp. 3—15.
1. Postanovlenie Pravitel'stva RF «O klassifikatsii ChS prirodnogo i tekhnogennogo kharaktera» ot 13.09.96g. (RF Government Regulation on Classification of Natural and Induced Emergency Situations as of September 13, 1996).
3. Kutuzov B.N. Vzryvnye raboty (Blasting), Moscow, Nedra, 1988, pp. 131—135.
4. Mikhaylov N.P. Tekhnologicheskie osnovy upravleniya udarno-volnovymi protses-sami (Engineering principles of control over shock wave processes), Doctor's thesis, Saint-Petersburg, BGTU «Voenmekh», 1001.
5. Chizhova-Notkina E.A. Chislennoe issledovanie dinamicheskogo nagruzheniya kondensirovannykh sred (Numerical analysis of dynamic loading of condensed media), Candidate's thesis, Saint-Petersburg, BGTU «Voenmekh», 1003.
6. Mikhaylov N.P., Brigadin I.V., Doroshenko S.I. Vzryvnoe delo. 1013, no 109/67, pp. 101-117.
7. Mikhaylov N.P. Patent RU№ 2119398, 1998.
8. Kutuzov B.N. Metody vedeniya vzryvnykh rabot, ch. 2. Vzryvnye raboty v gornom dele i promyshlennosti (Methods of blasting, part 1. Blasting in mining and in industry), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», MGGU, 1008, pp. 57-91.
9. Mangush S.K., Kryukov G.M., Fisun A.P. Vzryvnye raboty pripodzemnoy razrabotke poleznykh iskopaemykh. Uchebnik dlya vuzov (Blasting in underground mineral mining. Textbook for high schools), Moscow, Izd. AGN, 1000.
9. Kutuzov B.N. Spravochnik vzryvnika (Blaster's Manual), Moscow, Nedra, 1988.
