БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

Действие взрыва заряда в горной породе

Общие положения о работе взрыва

Работа взрыва выполняется за счет потенциальной энергии ВВ, выделяющейся при взрыве, и определяется по формуле

А = 4190 QVC = 4190 Q„pV, (39)

Где А — работа взрыва, кдж•

С—масса заряда ВВ, кг;

Qv — удельная теплота взрыва до расширения газов, ккал/кг;

Р — плотность ВВ заряда, кг/дм3;

V — объем заряда, дм3.

Потенциальная энергия ВВ не полностью превращается в меха­ническую энергию, так как вследствие неполноты реакций имеют место химические потери. Механическая энергия не полностью используется в" зарядной камере, так как часть энергии газов взрыва теряется на нагрев среды, а часть выносится наружу газа­ми взрыва, вырывающимися из зарядной камеры с повышенны­ми температурой (тепловые потери) и давлением (механические потери).

В зависимости от условий взрывания к. п. д. работы взрыва колеблется от 0,02—0,07 при взрывах на выброс и до 0,15—0,25 при взрывах на рыхление.

Полезная работа взрыва может проявляться в различных фор­мах. Основными из них являются: интенсивное смятие (перети­рание) породы непосредственно прилегающей к заряду; иницииро­вание в породе упругих (ударных) волн; сжатие, пластическая де­формация. и разрушение породы, не прилегающей непосредственно к заряду; измельчение части породы и выброс ее за пределы ворон­ки взрыва. Все эти формы работы составляют в сумме полную по­лезную работу взрыва.

В зависимости от условий взрывания одни формы работы могут усиливаться, а другие — уменьшаться. Так, например, при сниже­нии плотности заряжания путем создания воздушной прослойки между зарядом и стенками зарядной камеры уменьшается бри­зантное действие заряда и увеличивается фугасное. В результа­те порода дробится более равномерно и средний размер кусков уменьшается.

При необходимости в сильном бризантном действии надо при­менять возможно большую плотность заряжания и бризантные ВВ с максимальной скоростью детонации.

Что касается фугасного действия взрыва, то оно, как и общее действие взрыва, очень мало зависит от скорости детонации и оп­ределяется потенциальной энергией ВВ.

Внутреннее действие взрыва заряда

Зарядом называется определенное количество ВВ, подготов­ленное к взрыву. Заряд называется наружным, если он прило­жен к поверхности разрушаемого объекта, и внутренним, ес­ли он помещен внутри разрушаемой среды.

В зависимости от конфигурации заряды делят на сосредото­ченные и удлиненные. Удлиненным называется заряд с отношением длинной стоооны к короткой более 4.

Если при взрыве заряда ВВ в массиве породы действие его ничем не проявится на поверхности и локализуется внутри массива, то оно называется внутрен­ним действием, или камуфлет - ным, а заряд называется камуфлет - ным зарядом.

При взрыве такого заряда в горной породе образуются зоны вытеснения, раз­рушения и сотрясения (рис. 39); иногда еще образуется зона отколов. Процесс разрушения породы идет следующим об­разом. В момент взрыва удар газов взры­ва мгновенно разрушает и полностью вы­тесняет некоторый слой породы, приле­гающий к заряду, образуя полость, назы­ваемую зоной вытеснения, или зоной сжа­тия, или котлом.

Раздавленная и вытесненная порода вдавливается в стенки котла, которые вследствие этого представляют собой слой раздав­ленной и уплотненной породы. Возникшая в момент взрыва удар­ная волна перемещается радиально в массиве породы далее за пределы котла, вызывая смещение частиц породы в радиальном направлении.

В результате радиального перемещения частиц и слоев породы в ней возникают дайствующие в тангенциальном направлении уси­лия растяжения и сдвига. Эти усилия вызывают образование сети радиальных и кольцевых (прерывистых сферических) трещин.

Таким образом, в пределах зоны разрушения в начале (от центра) располагается слой бесструктурной, раздавленной и уп­лотненной породы с частыми и широкими трещинами разрывов и скольжений. Этот слой породы постепенно переходит в породу, сохранившую свою структуру в отдельных частях, но также про­
низанную сетью радиальных и сферических трещин. По мере удаления от центра трещиноватость уменьшается. Четкой наруж­ной границы зона разрушения не имеет.

По мере удаления от очага взрыва ударная волна затухает, перестает вызывать разрушение породы и возбуждает лишь зна­чительное ее сотрясение, которое на некотором расстоянии зату­хает. Зона сотрясения не имеет четко выраженных внутренней и наружной границ.

В зависимости от глубины заложения заряда признаки взрыва могут быть не обнаружены на земной поверхности или проявят­ся в виде слабой сейсмической волны. Если заряд заложен не глубоко от земной поверхности, то до нее может дойти ударная волна.

Когда ударная волна достигает свободной поверхности, то верхние слои породы, не встречающие достаточного сопротивления впереди, начинают отрываться (сопротивление породы разрыву в 10—50 раз меньше сопротивления сжатию). У свободной по­верхности зарождается волна растяжения, которая идет к цент­ру взрыва. Ударная волна как бы отражается' от свободной по­верхности породы в форме волны растяжения. По мере удаления от поверхности энергия волны растяжения затухает, но у поверх­ности отраженная волна может создать несколько сферических откольных трещин, откол и даже отброс породы. Следовательно зона отколов может возникать при благоприятных соотношениях между величиной заряда и глубиной заложения его.

При некотором соотношении этих величин зона отколов может сомкнуться с зоной разрушения или настолько приблизиться к ней, что давлением газов взрыва промежуточный слой породы будет раздроблен и порода будет полностью разрушена от поверхности до полости котла. Такое явление, как и явление откола, относится к наружному действию взрыва заряда.

Радиус зоны сжатия г і зависит от прочности и упругих свойств горной породы, от величины и формы заряда, от общей работоспособности и бризантности ВВ и от плотности заряжания. В соответствии с геометрическим законом подобия радиус зоны сжатия может быть выражен через радиус заряда

Гх = kir3, (40)

Где г3 — радиус заряда;

K\ — приведенный радиус зоны сжатия (котла), или коэффи­циент пропорциональности, учитывающий, влияние выше­перечисленных факторов.

При взрывании сосредоточенного заряда тротила или аммо­нита № 6 в мягких грунтах (глина, суглинок,, растительная земля и т. п.) k\ — 4 - i-6, а при взрывании в скальных грунтах k\ = = 1,5-^-2,2.

В случае использования других ВВ коэффициент пропорцио­нальности определяется по формуле

3

Где рт и рх — плотность ВВ соответственно тротила (1,5 кг/дм3) и примененного ВВ;

QT и Qx — теплота взрыва соответственно тротила (1000 ккал/кг) и примененного ВВ.

При взрывании удлиненных цилиндрических ізарядов (/3 > 6*4) котлы получаются также. цилиндрической формы; радиус зоны сжа­тия в этом случае рассчитывается также по формуле (40). Значе­ние коэффициента пропорциональности при взрывании тротилом и аммонитом № 6 принимается 10—15 в мягких грунтах и 1,7—3 в скальных породах. При использовании других ВВ пересчет значе­ний коэффициента производится по формуле

К = К (42)

Длина цилиндрического котла превышает длину заряда на 3— 4 диаметра последнего.

При относительной длине заряда - г = 6 энергия взрыва, дейст-

"з

Вующая на стенки шпура или скважины против центра заряда, со­ставляет 90% максимальной величины энергии, которая действо­вала бы в этом же месте при бесконечно длинном заряде. При

Уменьшении относительной длины заряда 6 рассеивание энер-

"з

Гии у торцов заряда увеличивается и радиус котла уменьшается.

Эффект котлообразования широко используется при буровзрыв­ных работах для уширения донной части шпуров и скважин с целью повышения их емкости. Котлы в этих случаях образуют взрыванием небольших зарядов ВВ, помещаемых на дно шпура или скважины (этот процесс называют простреливанием шпуров).

Эффект котлообразования применяют также при проходке, глу­боких колодцев и небольших стволов в мягких породах. В качестве примера можно привести проходку ствола на Юрковском буро - угольном карьере. Ствол глубиной 54 м и диаметром 5,2 м был пройден путем вытеснения■и уплотнения грунтов при внутреннем действии взрыва заряда в пробуренной скважине. В районе шах­ты № 6 треста Черепетьуголь шурф диаметром 3—3,5 м был прой­ден в результате взрыва заряда в скважине диаметром 300 мм Д глубиной 46 м.

При опытном применении метода вытеснения для проходки стволов в песчаниках и глинистых сланцах был получен отрица­тельный результат. При взрывании зарядов ВВ в скважинах диа - метром 100—250 мм и глубиной от 40 до 100 м получили коэффи­циент уширения 3—8[8].

Эффект разрушения горных пород при внутреннем действии заряда ВВ используется при торпедировании нефтяных скважин для усиления отдачи нефти, при торпедировании шпуров и сква­жин в угольных шахтах для усиления дегазации пластов и пре­дупреждения внезапных выбросов и т. п.

Радиус зоны разрушения

Г 2 = K2r3, (43)

Где k2 — приведенный радиус зоны разрушения (выраженный че­рез радиус заряда), или коэффициент пропорционально - . сти. При взрывании удлиненных цилиндрических заря­дов в скальных породах k2 = 12-г-20.

При взрывании сосредоточенных в ар ядов в мягких грунтах принимают

F 2 = WB, (44)

Где WB—такая глубина заложения данного заряда, при которой взрыв его образует нормальную воронку выброса.

Наружное действие взрыва заряда

При взрыве заряда, заложенного на таком расстоянии от зем­ной поверхности, что действие его проявляется на ней, процессы разрушения горной породы протекают следующим образом.

В момент взрыва удар газов образует котел (зону вытеснения). Радиус котла при прочих равных условиях в первый момент об­разования будет такой же, как и при взрыве комуфлетного заря­да (позже, при общей подвижке породы, он деформируется в сто­рону обнаженной поверхности). Это объясняется тем, что котел образуется ударом первого импульса ударной (детонационной) волны. Повторные (отраженные)импульсы удара газов не могут увеличить котел, так как они, как показывают непосредственные замеры в шпурах [14], в 2—4 раза слабее, кроме того, объем заряд­ной камеры уже увеличился до объема котла и стенки его уплот­нены.

Первый импульс, образовавший котел, возбуждает мощную ударную волну, которая, проходя по породе, вызывает смещение среды и образование трещин, о чем выше было сказано. По мере возникновения в породе трещин в них проникают газообразные продукты взрыва, находящиеся под большим давлением, с той же скоростью, с которой эти трещины образуются (скорость образо­вания трещин 200—1500 м/сек). Газы взрыва, давя на стенки котла и поверхности трещин, держат породу в напряженном состоянии,
расширяют и удлиняют трещины в направлении обнаженной по­верхности и прорывают толщу пород, ослабленную отколами и трещинами, идущими с поверхности породы и вызванными дошед­шей до поверхности ударной волной.

В зависимости от величины заряда и глубины заложения взры­вом может быть образована воронка рыхления, или ворон - :К а выброса. В первом случае вся разрушенная порода остается в пределах воронки, во втором случае порода не только разруша­ется, но и выбрасывается за пределы воронки (рис. 40).

Рис. 40. Во, ранки, образованные взрывом заряда:

А — нормальная воронка выброса; б — увеличенная; в — уменьшен­ная; г —і воронка рыхлення

Радиус основания воронки г называется радиусом воронки взрыва, а кратчайшее расстояние W от центра заряда до обна­женной поверхности называется линией наименьшего со­противления (сокращенно л. н. е.), или глубиной заложения заряда. Отношение

W = n (45)

Называется показателем раствора воронки, или по - казателем действия взрыва.

Если одинаковые заряды заложить на различной глубине в одной и той же породе, то при их взрыве образуются воронки с разными показателями действия взрыва (см. рис. 40). Воронка с показателем действия взрыва п = 1 называется воронкой нормального выброса, а заряд, образовавший такую ворон­ку, называется зарядом нормального выброса. Воронка с показателем действия взрыва п > 1 называется воронкой уси­ленного выброса, а заряд называется зарядом усилен-
ного выброса. Воронка с показателем раствора 0,7<и<1 называется воронкой уменьшенного выброса. Если за­ряд заложить еще на большую глубину, то при взрыве образуется уже воронка рыхления с показателем действия взрыва п< 0,7. Заряд, образующий воронку рыхления, называется заря­дом рыхления.

Образующая R воронки называется радиусом наружного действия взрыва, или просто радиусом взрыва. Радиус взрыва — величина переменная, зависящая при прочих равных условиях (величина заряда, сорт ВВ, крепость породы) от пока­зателя действия взрыва. Чем он больше, т. е. чем меньше глубина заложения заряда при одной и той же величине его, тем меньше величина R. Объясняется это тем, что чем меньше глубина зало­жения заряда (при одной и той же величине заряда), тем легче и быстрее газы взрыва прорывают толщу породы, лежащей над зарядом, и тем меньший объем породы они разрушают.

В мягких породах воронка по форме близка к парабалоиду или усеченному конусу. Объясняется это тем, что в мягких поро­дах получается большая зона сжатия и большее уширение ворон­ки внизу. В крепких породах объем зоны сжатия мал, ширина во­ронки внизу невелика и воронка близка по форме к простому конусу.

Объем такой воронки

У = . (46)

Заменив г его значение из формулы (45) и принимая = 1„ получим

V = n2W3. . (47)

При воронке нормального выброса, когда п = 1, объем ее бу­дет равен Vn = Wn3.

Видимая глубина воронки при взрыве малобризантных ВВ (8—10 мм) в некрепких скальных породах может быть определена по эмпирической формуле

R = 0,331^ (2п — 1). (48)

При крепких скальных породах коэффициент перед W реко­мендуется принимать равным 0,28, а при мягких грунтах рав­ным.0,4. Значение п при расчете зарядов выброса принимают не более 2,5.

Действие взрыва заряда при короткозамедленном взрывании

Короткозамедленное взрывание в настоящее время имеет очень широкое применение благодаря ряду преимуществ, которые оно дает. К ним относятся: значительное уменьшение сейсмического эффекта,, что благоприятно отражается на сохранности строений, сооружений и выработок; улучшение дробления породы; умень­шение разброса породы; некоторое (до 15%) снижение расхода ВВ. Последние три преимущества проявляются лишь при пра­вильно подобранных интервалах замедления.

Замедление должно быть подобрано так, чтобы заряд (или заряды) следующей серии взрывался после того, как закончится разрушительное действие упругих волн, вызванных первым взры­вом, а движение пород в глубине массива находится лишь в самом начале (или вообще не началось), когда газы взрыва еще не про­рвались наружу.

В это время порода будет разбита сетью трещин, заполнен­ных газами под высоким давлением, и будет находиться в напря­женном состоянии. В таком же напряженном состоянии будет находиться и порода прилегающих участков. Взрыв и возникнове­ние новой ударной волны в этих участках вызовет более сильное дробление породы не только здесь, но и на предыдущем участке, передавшись породе этого участка через сжатые газы, заполняю­щие трещины. Дополнительное дробление будет происходить так­же и во время движения породы за счет соударений масс. Для усиления этого вида дробления породы и уменьшения ее разлета целесообразно взрывать одновременно несколько рядов зарядов и комбинировать соответствующим образом замедления в соседних зарядах (рис. 41). При однорядном расположении зарядов замед­ление комбинируют через заряд — нечетные заряды взрывают мгновенно, четные — с коротким замедлением.

На основе большого призводственного опыта и специальных экспериментов в Советском Союзе и за границей установлено, что величина замедлений зависит от крепости и упругих свойств по-; роды, от величины л. н. с. и заряда; Величину замедления можно выразить эмпирической формулой

T — kW, (49);

Где t — время замедления, мсек-,

K — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств-

Пород; 1

W— величина линии наименьшего сопротивления, м. С. А. Давыдов, основываясь на большом опыте работы треста Союзвзрывпром, рекомендует для шпурового метода и для метода'

Скважин следующие значения k*: для самых крепких пород 3, для самых мягких пород 6. Для получения направленного или резко уменьшенного развала пород предлагается удваивать приведенные значения k.

J1. В. Баранов, основываясь на результатах экспериментов, про­веденных в подземных выработках игахт Кузбасса, рекомендует определять величину замедления (t, мсек) для забоев с одной об­наженной поверхностью по формуле

T = k±, (50)

Где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств пород;,

/— глубина шпуров, м;

Q — масса шпурового заряда, кг-

Для песчаников с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконов a f = 7-ь10 принимается k = 3,2; для сла­бых песчаников и алевролитов (f = 4-=- 6) Л = 4,1; для слабых алевролитов и аргеллитов (f — 2-г-З) k = 7,5.