Особенности поведения массива горных пород при взрывном воздействии

До настоящего времени не существует единого взгляда на механизм разрушения горных пород взрывом, что связано с различиями прочностных и деформационных показателей в статике и динамике, в образце и массиве. Перенос известных результатов при разрушении отдельных образцов или моделей из различных материалов на массив слабо совместим, поскольку кроме структурных особенностей самой (одной) горной породы имеются еще структурные особенности участка, сложенного из различных пород.
Известными отличительными факторами взрыва являются: высокая скорость процесса разложения BB, образование продуктов (ИВ) взрыва с большим давлением и выделением тепла. Давление ПВ воздействуя на зарядную камеру, определяет возникновение ударной волны, распространяющейся по породе со сверхзвуковой скоростью. Область распространения ударной волны ограничена зоной 3-7 радиусов заряда (рис. 3.5). Следующая зона размерами до 150 радиусов предстает как зона сжатия, определяемая волной сжатия при неупругом поведении породы, а скорость распространения возмущения равна скорости звука в этой среде. Здесь возникают остаточные деформации, ведущие к нарушению сплошности среды.

Снижение интенсивности волны сжатия сопровождается выполаживанием их фронта и обусловливает переход в сейсмическую волну, вызывающую упругие колебания со скоростью звука и область распространения в 120-150 радиусов заряда.
Выделенные разновидностей взрывных волн отличаются различной степенью затухания, причем в первых двух зонах интенсивность затухания выше, чем в третьей, в них же наибольшие затраты энергии, а в третью выходит около 1% потенциальной энергии BB при одновременном увеличении объема породы, вовлеченной в эту область.
П.С. Миронов при массовых взрывах на карьерах также выделяет три зоны по критерию скорости смещения грунта. Для первой ближней зоны с областью от 5 до 50 м от взрываемого блока скорость им определяется как:

Для средней и дальней зон соответственно с радиусами 50-500 м и более 500 м, скорости равны:

где к1, к2, к3 - экспериментальные коэффициенты, зависящие от свойств взрываемых пород и равные от 120 до 300;
Q - общая масса взрываемого заряда;
r - расстояние от эпицентра взрыва;
H и L - высота уступа и длина блока;
m - показатель затухания интенсивности волны с расстоянием r, в среднем равен 1,5;
f(nΔt) - функция схемы взрывания, в зависимости от интервала замедления и числа ступеней замедления и принимающая значения:

Известно, что критическая скорость разрушения связана с удельной работой разрушения:

где ρ - плотность среды.
С другой стороны, удельная работа разрушения зависит от разрушающего напряжения σраз, упругих E и пластических свойств породы Кпл.
Под разрушающим напряжением здесь понимается такое, которое включает в себя составляющие сопротивления растяжению и сдвигу, имея в виду, что тсд>σраст:

где Едеф - модуль полной деформации.
Оценку пластичности горной породы можно выразить более просто:

Приравнивая (6) и (8), имеем:

Из (3.14) следует, что величина критической скорости разрушения выражается как:

Подставляя значение критической скорости в соотношения (3.6-3.13), получим разрушающее напряжение в каждой из выделенных зон, и сравнивая его величину с характеристиками породы, установим состояние массива по зонам действия взрыва системы скважинных зарядов:


Проанализируем поведение модуля полной деформации с изменением расстояния от центра взрыва. С расстоянием обе составляющие деформации должны убывать, однако в силу потерь энергии, интенсивность снижения пластических деформаций больше. Это подтверждает известное положение о снижении напряженно-деформированного состояния и, следовательно, количества дефектов, образованных вследствие прохождения взрывных волн.
Нарушение массива трещинами и т.п. дефектами обусловлено фактически активизацией старых трещин более высокого уровня или же соединением несквозных трещин. Источником таких нарушений является волна напряжений, обусловливающей движение частиц с критической скоростью. Эта критическая скорость, приводящая к разрушению как поверхности так и внутренних частей оценивается соответственно как:

Например, для монолитного гранита эти скорости соответственно равны 1,5 и 3,5 м/с, однако критические скорости, когда появляются зародыши трещин составляют всего 0,05 м/с.
He вдаваясь в подробности механизма разрушения пород взрывом, например, при взрыве скважинных зарядов, нас будет интересовать в большей степени факт, что взрывное нагружение массива приводит к формированию нескольких четко различимых зон в соответствии с выделенными выше (рис. 3.5.) областями, рис. 3.6.

По изменению скорости звука можно выделить:
1 - зону дробления, характеризующуюся полным разрушением первичных свойств массива, отсутствием связей между раздробленными кусками породы, причем степень дробления в междурядье и за последними рядами скважин отличается, о чем свидетельствуют замеры скорости продольной волны. Она в междурядье в зависимости от минералогического состава пород колеблется от 270 до 510 м/с, одновременно зависит от коэффициента разрыхления и изменяется обратно пропорционально ему с глубиной.
2 - зону нарушения, характеризующуюся частичным разрушением пород с зависимым от первичных свойств массива изменением состояния, с увеличивающимся сцеплением между отдельностями с раскрытием микро- и макротрещин и появлением новых дефектов и дислокаций. Скорость звука в этой зоне колеблется от 550 до верхнего предела скорости в ненарушенном массиве. В некоторых исследованиях установлен эффект частичного восстановления свойств пород массива с тенденцией увеличения ее по высоте уступа.
3 - зону сотрясений, характеризующуюся частичным раскрытием естественной трещиноватости, возникновением новых очагов будущих разрушений, а также формированием напряженно- деформированного состояния как за счет возникших новых дефектов, так и при частичном закрытии ранее раскрытых трещин.
4 - зону естественного состояния массива с сохранением его основных свойств, характерных для условий систематического производства взрывных работ, т.е. в естественном ненарушенном состоянии.
Волновая картина при взрыве складывается следующим образом. По сейсмограммам можно выделить прямые, головные, отраженные, релеевские и воздушные звуковые волны. Параметры указанных типов волн различаются в зависимости от горногеологических и технологических факторов. Например, с углублением горных работ увеличивается скорость прямых и головных волн почти в 3 раза, а релеевской - на 20%. Периоды колебаний для отраженных волн не изменялись, а релеевской снизились на 35-40%.
В.Н. Мосинец выделяет особенности ближней зоны. К ним относится то, что для колебаний внутри зоны должен быть ограничен период колебаний с высокой частотой при значительной амплитуде. На относительном расстоянии R≤6/10в3√Q преобладают по интенсивности продольные волны. В области R≤10/30в3√Q, где наблюдается переход от продольной к поверхностной волне, запас энергии в горизонтальной составляющей снижается от 100 до 50%, а в области более 30в3√Q, где преобладают поверхностные волны, составляющие скорости колебаний примерно равнозначны.
Второй особенностью ближней зоны является высокая частота колебаний на границе сейсмического очага.
Третьей особенностью сейсмического очага является то, что максимальная скорость колебаний зависит от массы заряда, так как она соответствует упругому пределу деформаций породы и изменяется от 0,16 до 0,32 м/с при критических деформациях εк =16*10в-6/72*10в-6.
Параметры сейсмовзрывных волн зависят от количества рядов скважин. Скорости прямой и поверхностной волн выше у однорядного взрыва на 20-30%, а скорости отраженной выше у трехрядного. Энергия упругих волн при трехрядном расположении скважин снижается за счет экранирования энергии от 2-х и 3-х рядов. Для отраженных волн, например, распространяющихся на нижележащий горизонт при трехрядном взрыве энергия возрастает в сравнении с однорядным. Изменение сетки скважин в сторону увеличения приводит к увеличению сейсмического эффекта, скорости смещения в продольной волне возрастают на 30%, а энергия прямой волны - в 2,5 раза.
Для ближней зоны можно выделить преобладающие амплитуды продольных волн и на некотором расстоянии -поверхностных волн, у которых показатель затухания меньше, чем у первых. Здесь же отмечается многостадийность формирования источников сейсмических колебаний. На первой стадии после детонации заряда, прилегающая к нему порода дробится, принимая форму пластического течения. В массив излучается продольная волна сжатия-растяжения. На этой стадии, несмотря на большой объем дробления, но вследствие огромной вновь образованной поверхности раздробленного материала, согласно закону Риттингера-Кирпичева, будут максимальными затраты энергии этих волн.
На второй стадии вследствие больших потерь энергии в зоне пластических деформаций формируется волна напряжений, впереди которой движется звуковая волна. Продолжается развитие трещин, начавшееся на первой стадии, а волна напряжений создает в породе напряжения выше предела прочности породы. Достигнув поверхности, она отражается с возникновением растягивающих напряжений.
При распространении волны напряжений в других направлениях создаются напряжения выше предела прочности на сдвиг и растяжение. Порода за линией взрываемых скважин находится в состоянии всестороннего сжатия, распространяясь в глубь массива. На этой стадии, при исследованиях выполненных на карьере ЦГОКа, на расстоянии 15-20 м от последнего ряда скважин зафиксирована волна «К» - купол, которая характеризуется подъемом массива на 80-100 мм при скорости до 2 м/с.
На третьей стадии взрыва нарушается связь волны купола с окружающим массивом, происходит отрыв и разлет породы. В это время в массив излучаются волны с увеличивающимися амплитудами и периодами колебаний. Напряжения падают, а энергия способствует ускорению достижения максимума амплитуд и уменьшению периода колебаний.
Снижение давления на фронте прямой волны до предела прочности породы на сжатие порождает, как утверждает Н.Н. Казаков, слабую волну, которая оказывает различное воздействие на породу, зависящее от ее параметров. В зоне ее действия плотность породы почти не изменена, а вот энергия волны поглощается средой и затрачивается на различные формы работы, в том числе на зарождение дефектов и рост трещин.

---