Напряженно-деформированное состояние массива горных пород

Массив горных пород в карьере отрабатывается в результате многочисленных взрывов, таким образом он подвергается систематическим периодическим нагружениям до производства основного взрыва по отделению и дроблению определенного объема недр. Каждый очередной участок до его взрывания уже предварительно напряжен. Результатом подобной технологии подготовки и выемки крепких пород является постоянно изменяющееся напряженно-деформированное состояние массива, оперативные способы оценки которого до сих пор не разработаны.
Предварительное нагружение должно привести к снижению прочности, так согласно предел прочности, например, мрамора оказался меньше, чем при статическим нагружении и составил всего 100-700 кгс/см2 вместо 700-800 кгс/см2, что видимо объясняется концентрацией напряжений у макро- и микродефектов и дислокаций, и для разрушения такого образца требуется существенно меньше энергии.
При предварительном нагружении горных пород создаются условия для повышения кпд взрыва, причем это уже наблюдается при различном соотношении скорости детонации Дп удлиненного заряда и скорости волны напряжений Cp. Если, например, ДпСр со стороны инициатора куски более крупные, а сама зона дробления более узкая (клин вверх), с противоположной стороны куски более мелкие и зона более широкая.
Поскольку на карьерах взрывная подготовка горной массы производится при многорядном расположении скважин, то действие такого взрыва даже при КЗВ можно рассматривать как взрыв в полупространстве с одной обнаженной поверхностью, особенно для последнего ряда зарядов. Тогда можно выделить зону сжатия вблизи заряда и за ней зону пластических деформаций, обе они находятся в пределах 3-5 радиусов заряда Rо.
Зона от 3 до 20 Rо. - является зоной первичного трещинообразования, где порода разрушается под воздействием тангенциальной составляющей растягивающих напряжений с величиной больше предела прочности на растяжение.
Зона в пределах 15-20 Rо не вызывает трещинообразования пока волна напряжений не достигнет обнаженной поверхности, а поскольку ее нет, то растягивающие напряжения меньше предела прочности и после воздействия волны естественные трещины смыкаются, и массив можно рассматривать как сплошную среду, но с дефектами. Если же обнаженная поверхность находится на расстоянии до 100 Rо, то волна может вызвать разрушения в момент отражения от обнаженной поверхности, так как она в точке отражения является волной растяжения и у поверхности предел прочности растяжению меньше предела прочности на растяжение в безграничной среде, т.е. образуется откольная воронка при большом расстоянии до обнаженной поверхности, а при расстояниях (40-60 Rо) - образуется взрывная воронка.
За линией взрывных скважин образуются трещины и заколы. Разрушение в тыл массива за линией последнего ряда на поверхности достигает 200 Rо, на уровне подошвы уступа, до 40 Rо -при высоких уступах и до 60 Rо - при низких, а в сторону перебура -на 10-15 Rо ниже его. Это объясняется большими смещениями и они тем больше, чем больше масса и число одновременно взрываемых зарядов.
Эксперименты показали, что объем трещин или трещинная пустотность после воздействия взрыва за линией последнего ряда скважин увеличивается, достигая 2-10%. На расстоянии более 90 Rо при массовой отбойке энергии достаточно для образования трещин и заколов. Обычно они видны на поверхности уступа, их длина 25-30 м на глубину они уходят на 2/3 уступа, что иллюстрируется рис. 3.20. Экспериментами, проведенными А.Н. Ханукаевым, определены скорости смещения в глубине массива путем установки вибрографов в скважинах на глубине 4,5 м.
На границе трещинообразования замеренные значения скоростей в глубине оказались меньше, чем на поверхности. На расстоянии 25-30 м скорости в глубине и на поверхности находятся в соотношении Vгл =(0,5-0,6) Vnов., а на расстоянии более 30 м - Vгл =(0,3-0,4)Vпов., о чем свидетельствует распределение поля скоростей, построенного по результатам экспериментальных взрывов.

Нами также выполнен трудоемкий эксперимент по взрыванию объемной модели, сложенной из эквивалентного материала различной окраски (рис. 3.21). В модели располагалось 25 скважин в пяти рядах по 5 штук в ряду. Весь процесс взрыва и смещения массива фиксировался камерой CKC-1м сквозь прозрачную стенку оргстекла. Скважины у прозрачной стенки располагались в 5 см, масштаб моделирования составлял 1/75. В методику включены взрывы на обнаженную боковую поверхность и на буфер.

Анализ кино-фотодокументов и определение по ним скоростей смещений масс показал, что они закономерно уменьшаются от обнаженных поверхностей вглубь массива, хотя характер поля скоростей при взрывании на буфер и на обнаженную поверхность различный (рис. 3.22).

Уменьшение величин скоростей вглубь объясняется изменением условий воздействия волны напряжений на массив. С увеличением глубины они приближаются к условиям безграничной среды, когда скорости вдвое меньше, чем на обнаженных поверхностях.
В.Н. Мосинец рассматривает взрыв заряда в среде как очаг сейсмических колебаний и выделяет три зоны:
- зону пластического течения и интенсивного сжатия в 3-7 Rо, что вполне соответствует первой зоне, отмеченной А.Н. Ханукаевым;
- зону упруго-пластических деформаций до 120-150 Rо, что по существу охватывает все зоны, выделенные А.Н. Ханукаевым;
- зону упругих деформаций более 150 Rо.
Совершенно очевидно, что абсолютные размеры зон будут зависеть от радиуса очага сейсмических колебаний. В пределах этого радиуса разделения импульса взрыва на волна различных типов еще не происходит, т.е. волновую характеристику среды можно оценивать по скорости продольной волны Cp. Этот радиус определяют как:

где ρСр - акустическая жесткость породы; Q - масса заряда.
Известно, что распространение упругих сейсмических волн характеризуется скоростью массового смещения среды U(см/с), периодом колебаний T (с), которым можно установить амплитуду смещения S (см), ускорение j (см/с2) и энергию сейсмического колебания Ws (кгм). Общепринятыми критериями интенсивности сейсмических колебаний являются скорость U и энергия Ws:

Анализ волновой картины действия взрыва в горных породах показал, что в области воздействия ударной волны, соответствующей развитию пластических деформаций, затухание напряжений пропорционально 1/R3, в области упругопластических волн - 1/R2, а в области сейсмических - 1/R. Интенсивное затухание в первых двух ближних зонах со значительным потреблением энергии предопределяет факт, что в сейсмическую волну переходит до 1% потенциальной энергии BB Qv. Если учесть, что на разрушение расходуется всего 6% этой энергии, то 1% - это достаточный повод, чтобы искать пути использования его части.
Первая зона трещин, совпадающая с зоной активного разрушения определяется как

где Q - масса BB в заряде, при условии, что критическое значение энергии BB, т.е. удельный расход составит:

Вторая зона, где генерируется волна сдвига и где происходит смыкание кольцевых и радиальных трещин, но находящаяся в области регулируемого дробления находится в пределах:


Третья зона связана с формированием упругих деформаций:

Все три названные выше зоны являются источниками сейсмических колебаний. Четвертая зона - формирования поверхностных и сдвиговых волн - определяется глубиной заложения заряда и является четвертым источником сейсмических колебаний. Эти четыре зоны определяются соответствующими радиусами:

Напряженно-деформированное состояние, связанное с образованием соответствующих зон, характеризуется также различными остаточными деформациями различной интенсивности, например, зонами разрушения, заколами, сдвигами. Эти явления находятся в прямой зависимости от энергии взрыва и обратно пропорциональны свойствам среды.

---