Разрушение горных пород несколькими зарядами

В настоящее время во всех отраслях производства, использующих взрывы для дробления горных пород, одиночные заряды применяются редко. Чаще всего применяются системы, серии зарядов, которые представляют массовые взрывы, включающие от 5-10 до 300-500 зарядов, естественно, с большими массами BB, что требует определенных организационных, проектных, расчетных и охранных мероприятий. При этом следует иметь в виду и стремление к достижению экономической эффективности взрывных работ.
При взрыве двух смежных зарядов до момента встречи двух полей напряженности, среда вокруг каждого из них ведет себя, как при взрыве одиночного заряда. При встрече взрывных волн возникает сложная картина интерференции волна напряжений. По линии, перпендикулярной линии между зарядами (рис. 3.9), растягивающие напряжения существенно больше, чем при одиночном взрыве, о чем свидетельствуют идущие навстречу друг другу от зарядов сжимающие напряжения σсж. Сочетание усиленного воздействия σсж и σрас вызывает образование трещин по линии расположения зарядов без интенсивного дробления породы вокруг нее, особенно при сближении зарядов. Этот эффект направленного роста трещины по линии зарядов используется при контурном взрывании.

Эффект сложения напряжений в одном месте массива сопровождается эффектом компенсации напряжений в других, что приводит к ослаблению напряженного состояния. В этих зонах порода подвергается наименьшему дроблению. Если иметь в виду коэффициент сближения, равный отношению расстояния между зарядами к линии наименьшего сопротивления (m=a/w), то минимальное число таких неэффективных точек будет при m>1.
Рассмотренное выше относится к взрыву в безграничном массиве, имея в виду одну обнаженную поверхность. В случае двух и более поверхностей картина существенно усложняется. Дело в том, что даже при одной поверхности механизм разрушения не ограничивается только воздействием напряжений прямых падающих волн и продуктов взрыва. Доля разрушений от их действия велика, но и от отраженных волн, уже вне воздействия продуктов взрыва, тоже достаточно ощутима. При двух плоскостях, т.е. двух зонах раздела сред, имеются многочисленные процессы отражения.
При взрыве серии зарядов в реальном массиве, который обычно расчленен трещинами трех генераций (формирования, тектоники и выветривания), и в зависимости от его крепости, радиус регулируемого дробления составляет 5-15 диаметров заряда, а радиус разрушения до 25-45 диаметров заряда. Именно эти пределы и указывают на рациональную величину расстояния между зарядами.
Замедленное или короткозамедленное взрывание (КЗВ или ЗВ) означает, что заряды или их серии взрываются не одновременно или мгновенно, а с некоторым замедлением относительно друг друга, при этом могут преследоваться многочисленные технические или технологические цели.
Впервые КЗВ было использовано Берлиным при проходке ствола шахты для образования кучного навала породы. С 50-х годов XX в. КЗВ стали применять для снижения сейсмического эффекта взрыва, а с 1945 года в США и Англии — для повышения качества дробления горной массы.
При КЗВ ощутимыми считаются следующие физические эффекты:
- интерференция волн напряжений от взрыва соседних зарядов;
- образование дополнительных поверхностей обнажения;
- соударение движущихся масс и кусков породы.
Физика процесса разновременного взрывания позволяет выделить интервалы времени, в пределах которого могут наблюдаться перечисленные выше эффекты.
1. В зависимости от расстояния между взрываемыми зарядами и состояния массива интерференция волн напряжений наблюдается при t в пределах 5-10 мс.
2. Образование дополнительных открытых поверхностей возможно при t=15-250 мс.
3. Соударение кусков возможно при времени замедления от 150 мс и выше.
Интерференция волн происходит в том случае, если направления смещения частиц от предыдущего и последующих взрывов совпадают, естественно возрастают суммарные смещения и интенсивность разрушений.
Волна напряжений от взрыва первого заряда, дойдя до открытой поверхности, отразится от нее и пойдет вглубь массива. Когда она дойдет до второго заряда, он должен взорваться. Тогда интервал замедления для обеспечения интерференции волн по Г.И. Покровскому составит:

где а - расстояние между зарядами;
W - линия наименьшего сопротивления;
vy - скорость распространения волн напряжений в массиве.
Если принять а=5-8 м, W=8-10 м, то t=3-6 мс.
Длительность упругих колебаний в массиве после взрыва в зоне разрушения не превышает 6-10 мс, а на практике интервалы замедлений принимают в пределах 20-70 мс. Следовательно, в трещиноватом массиве с удалением от заряда амплитуда волн падает и, значит, роль интерференции в интенсивности дробления несущественна.
Образование дополнительных поверхностей обеспечивает в массиве возможность возникновения дополнительных полей отраженных волн растяжения от взрыва последующих зарядов, что повышает эффект разрушения. Кроме того, создаются условия предразрушения и облегчается процесс разрушения продуктами взрыва.
Установлено, что объем разрушения увеличивается примерно пропорционально количеству новых поверхностей. Процесс дробления единого объема невозможен без увеличения его первоначального объема, т.е. при ΔV=0, когда ΔV=v2-v1. Если увеличение произошло, то объем разрыхляется, т.е.:

Разрыхление возможно в сторону открытой поверхности. Эффект облегчения взрыву последующих зарядов основан на образовании щели, ширина которой должна быть пропорциональна W при минимально возможном Kp, обеспечивающим соответствующее раскрытие трещины. Ширина щели исчисляется как:

Время образования новой открытой поверхности составит:

где t1 - время прохождения волна напряжений от заряда до открытой поверхности;
t2 - время образования трещин по призме вокруг заряда;
t3 - время сдвижения массива.
Если t1=2-4 мс, то:

где vтр - скорость роста трещин;
η - коэффициент трещиноватости;
α - угол полупространства воронки, равен примерно 45°.
При vтр = 1500-2500 м/с, t2 = 15-25 мс.
Время сдвижения массива t3 определяется из условия, что породы, разрушаемые зарядом, движется как монолитная призма (в действительности это не так):

где ρп - плотность породы;
d - диаметр скважины;
W - линия сопротивления по подошве уступа.
Для скважин диаметром 220-250 мм, при ρп=2,6 т/м3, t3 =10-15 мс.
Суммарное время получится около 25-35 мс, что и происходит на практике. Интервал замедлений уменьшается с увеличением крепости пород, диаметра скважин и, естественно с расстоянием между ними.
Поскольку общепризнанной теории КЗВ не существует (значительный вклад в ее разработку внес д.т.н., проф. Е.Г. Баранов), то имеется масса эмпирических формул для определения времени замедления tзам, например:

где Cp - скорость продольной волны в массиве; ρп - плотность породы.
Соударение масс при взрыве вызвано тем, что куски породы различных участков массива при взрыве имеют разное направление движения и величину скоростей. При этом возможны три случая:
- куски догоняют друг друга;
- куски движутся навстречу друг другу;
- куски движутся рикошетом (под углом друг к другу).
Лучшие результаты следует ожидать при встречном движении, или когда направления движения пересекаются под углом 90°. Даже при порядном взрывании на рыхление, масса породы от взрыва первого ряда движется со средней скоростью 9-15 м/с, а начальная скорость движения массы от взрыва 2-го ряда составляет 20-55 м/с. Разница в скоростях 15-20 м/с обеспечивает дополнительное разрушение предварительно напряженных отдельностей.
При взрыве до 50% его энергии теряется в сейсмической волне, которая представляет собой упругие колебания среды, параметры которых слабо изменяются с расстоянием от центра сейсмического очага. Сейсмические колебания начинаются за зоной дробления на расстояниях 60-80 диаметра заряда и обусловлены общей энергией заряда и свойствами среды.
Сейсмические колебания характеризуются продольными, поперечными и поверхностными волнами. Первые называются продольными, так как колебания частиц среды совпадает с направлением распространения волны, скорость этой волна больше всех других:

где E - модуль упругости;
g - ускорение силы тяжести;
ρп - плотность среды;
v - Коэффициент Пуассона.
Поперечные волны движутся в перпендикулярном направлении к продольным и составляют:

Поверхностная волна Рэлея связана с поперечной приблизительным соотношением:

Энергия взрыва распределяется между видами этих волн, интенсивность которых с удалением от источника взрыва падает. Параметры сейсмических волн можно характеризовать как:
- приведенной массой заряда к расстоянию от него до точки наблюдений

- приведенным расстоянием к массе заряда:

Амплитуда колебаний связана с приведенной массой:

где Q - масса одновременно взрываемых зарядов;
R - расстояние от зарядов до точки замера интенсивности колебаний;
ψ - эмпирический коэффициент, равный 1-3;
к1 - опытный коэффициент, зависящий от свойств пород. Период колебаний также связан с массой заряда:

Сейсмические волна воздействуют на сооружения (в том числе и на борт карьера, ствол шахты и т.п.), что проявляется в скорости смещения грунта (основания):

Коэффициент к3 зависит от свойств среды через Cp и Е, а также от свойств BB, технологии взрывных работ и может колебаться от 50 до 500.
Для сосредоточенных зарядов академик М.А. Садовский дает соотношение для скорости колебаний:

где f(n) - показатель действия взрыва.
Для рассредоточенных зарядов (скважинных) скорость выражается иначе:

При КЗВ сейсмический эффект зависит от времени замедления и числа групп зарядов, при этом считается, что одна группа взрывается мгновенно. Если массы зарядов в группах (N) равны, то скорость определится как:

Кроме сейсмической, при взрыве возникает ударная воздушная волна (УВВ), представляющая собой скачок уплотнения воздушных масс, который распространяется со сверхзвуковой скоростью и связан с расширяющимися продуктами взрыва.
Поверхность, отделяющая сжатый воздух от невозмущенного есть фронт УВВ. Скорость УВВ полностью определяется давлением на фронте волны. При движении УВВ теряет часть первоначально полученной энергии за счет тепловых потерь и за счет увеличения объема воздуха, вовлеченного в движение. Поэтому с удалением УВВ от места ее возникновения давление во фронте падает и на расстоянии 100R от центра взрыва скорость фронта волна близка к скорости звука в воздухе.
Основными параметрами УВВ являются:
- избыточное давление на фронте

где C0, ρ0 - скорость звука в воздухе и его плотность; vQ - показатель адиабаты.
Скорость движения фронта УВВ:

где ρ - плотность воздуха на фронте УВВ.
Скорость движения сжатого воздуха:

Температура на фронте УВВ:

Эти общие зависимости в практических, реальных условиях существенно могут быть деформированы, так как не учитывают типа BB, конструкции заряда, способа инициирования, свойств пород и т.п.
При прогнозировании величины избыточного давления пользуются формулами Союзвзрывпрома. Для наружных (накладных) зарядов:

для скважинных зарядов рыхления:

где k3 - коэффициент, учитывающий влияние забойки, при полной скважине BB k3=1, при длине забойки в 20dз, k3=0,4;
кМ - коэффициент, учитывающий влияние метеоусловий;
n - число одновременно взрываемых скважин;
d - диаметр скважин.
Размер зоны разрушения от УВВ вычисляется как:

где к - опытный коэффициент, учитывающий свойства объектов, энергию BB; n - показатель степени, зависящий от уровня передачи энергии BB через среду.
Безопасное расстояние по действию УВВ:

В целом эти методики освещены в «Единых правилах безопасности при взрывных работах».

---