Добыча и обработка природного камня

Разрушение среды зарядами направленного действия

При взрывании рассредоточенных зарядов бризантных ВВ, используемых для контурной отбойки пород, а также зарядов метательных ВВ продукты детонации оказывают квазистатиГче - схое воздействие на разрушаемую среду.

Разрушение монолитного массива горных пород в случае его ква зистатического осесимметричного нагружения происходит в направлениях, в которых наиболее ослаблены структурные связи между элементами строения породы (минеральными зер­нами, агрегатами зерен). Большое влияние на зарождение и рост трещин оказывают содержащиеся в разрушаемой среде естественные или искусственные нарушения ее сплошности4; Сте­пень влияния различных нарушений сплошности среды на про­цесс ее разрушения зависит от концентрации напряжений, воз­никающих на острие (при вершине) трещин.

Коэффициент концентрации напряжений на острие трещины или искусственной щели определяют по формуле

(4.1)

Где I — длина трещины или щели; г — радиус острия трещины или щели. ^

Если в разрушаемой среде на поверхности шпура есть тре­щину, которая ориентирована в радиальном направлении и имеет длину порядка 20 мм, то коэффициент концентрации на­пряжений на ее острие при взрыве заряда ВВ составит 20-103. Если предположить, что вместо трещины имеется щель шири­ной 2 мм» аналогично ориентированная и такой же протяжен­ности, то коэффициент концентрации напряжений на острие щели будет на три порядка меньше по величине. Вполне оче­видно, что нарушения сплошности в виде трещин с радиусом острия, соизмеримым с межатомными расстояниями, оказывает наибольшее влияние на процесс разрушения твердых сред взрывом.

Таким образом, если на поверхности шпура создать две ра­диальные трещины, ориентированные в диаметрально противо­положных направлениях, то при взрывном квазистатическом нйгружении разрушаемой среды можно обеспечить преимуще­ственно развитие этих двух трещин без появления других про­тяженных радиальных трещин. Следовательно, управлять про­цессом развития трещин при контурном взрывании можно методом предварительного введения радиальных трещин в по­верхность шпура в заданном направлении. Возможность такого управления вытекает из рассмотрения физической сущности про­цесса взрыва.

Действительно,, при взрыве заряда ВВ в" массиве имеют ме­сто динамические и квазистатические процессы, протекающие в определенной последовательности. Ударная волна, генерируе­мая ё среду и представляющая собой трансформировавшуюся' в нее детонационную волну, практически сразу же отрывается от фронта разлета продуктов детонации. Иначе говоря, ударная волна во времени и; пространстве с самого начала опережает в массиве то действие, которое оказывают на него газы, обра­зующиеся в результате взрыва. Поэтому процессы, происхо­дящие в массиве горных пород под действием ударной волны или волны напряжений, принято считать динамическими, а под действием газов взрыва—-квазистатическими.

Общепринято считать, что ударные волны и волны напря­жений создают в массиве горных пород так называемое «пред - разрушение» среды, т, е. образуют в ней систему микротрещин.’ Газы взрыва выполняют функцию расширения этих микротре­щин или микродефектов; создавая макрообнаженные поверх­ности.

Таким образом, если создать возможность образования в массиве горных пород микротрещины в заданном направле­нии, то дальнейшее! ее развитие произойдет под действием квазистатического давления газов взрыва именно в этом направ­лении. Такой эффект применительно к задачам отбойки моно­литов при добыче блочного камня достигается вследствие при­менения ДШ, располагаемого асимметрично в шпуре по стенкам и желательно в направлении наилучшего раскола камня с учетом ориентации сверхиндивидов, если говорить о породах типа гранитов.

Еще больший эффект достигается в том случае, если в тех же точках шпура размещать по две нити ДШ. В этом случае между двумя зарядами в результате встречи фронтов удар­ных волн возникает так называемая «стоячая» волна, обеспечи­вающая кумулятивный эффект взрыва, который, в свою очередь, в ёще большей степени увеличивает вероятность образования направляющей трещины в желаемом направлении. Ее дальней­шее расширение вплоть до смыкания с трещиной, образуемой при взрыве такой же конструкции заряда в соседнем шпуре, принимают на себя газы взрыва.

; Подтвердим сказанное аналитическим рассмотрением про­цессов, протекающих при взрыве зарядов ВВ из ДШ для слу­чай, когда шпур заполнен водой. С момента инициирования ДШ в среде возникает фронт ударных волн' (УВ), а давление в Продуктах детонации при взрыве ДШ определяется из фор­мулы (при условии их квазистатического расширения):

Где Ур~~ объем продуктов детонации при давлении р в шпуре длиной 1 м; Ун—начальный объем продуктов детонации; Ув.0, Ув — соответственно начальный и текущий (при давлении р) объем воды в шпуре

Ур-уи+ду, ув-ув:0-ду,

В результате решения получим ръ 2,310е Па; ДУ « 7,5* 10'* м8.

При нахождении У„ учитывалось, что газовые пузыри, приле­гающие к ДШ, сольются в один. Время стабилизации образо­ванного пузыря пренебрежительно мало (*«2<1/£>в=1 мкс| где 4 — диаметр сердцевины шпура ДШ; £>в— скорость ударной волны в воде), поэтому полагалось, что *=0.

Таким образом, давление в шпуре за время ^ с момента прихода детонационной волны в точках х шпура упадет

С ри = 1,22-1010 Па до р = 2,3-108 Па/

Предположив, что время установления среднего давления в сечении х шпура равно времени двукратного прохождения У В в воде в этом же сечении, определим и

----- )----- —— = 10 .мкс,-------------------------------------------------------- (4.5)

2£>в 2 0'ъ

Где /V — скорость отраженных У В в воде.

Из вышесказанного следует, что заряд ДШ в воде при уело- вин расположения нитей ДШ в диаметрально противополож­ных точках вдоль стенок зарядной полости обладает анизотроп­ным полем напряжений в разрушаемой среде. Действительно, в течение /] = 10—20 мке давление в массиве горных пород в месте‘прилегания нитей ДШ к стенкам шпура будет изме­ряться десятками тысяч паскалей. Это приведет к интенсив­ному разрушению массива на линии ДШ —массив. Давление порядка 102 МПа при наличии уже образовавшихся трещин не может вызвать значительных разрушений в других направле­ниях. Продукты детонации будут развивать уже имеющиеся трещины. Время ^ получено без учета движения газовых пузы­рей, образовавшихся при детонации ДШ. На самом деле пуль­сирующие газовые пузыри отойдут от стенки шпура и сольются. С отходом газового пузыря напряжения в массиве на линии со­прикосновения ДШ со стенками шпура резко уменьшается.

Поле напряжений будет становиться все более симметричным относительно оси шпура, однако это уже не будет искажать на­правленный раскол массива.