Оценка взрываемости по физико-механическим свойствам горных пород

Практика производства взрывных работ показывает, что масса одного заряда рассчитывается с участием двух величин: удельного расхода BB и взрываемого объема. В таком случае удельный расход является оценкой степени взрываемости данной породы, а вернее конкретного массива.
Если обратиться к большинству справочных изданий и руководств по взрывным работам, то можно обнаружить, что, как правило, удельный расход q является функционалом от крепости пород. Следовательно, взрываемость также функционально зависит от физико-механических свойств пород. Вместе с тем, физико-механические свойства представлены широкой гаммой показателей, при этом не все в одинаковой мере оказывают влияние на разрушение массива горных пород взрывом.
Г.П. Демидюк выполнил ранжирование факторов, влияющих на эффект взрыва, в следующем порядке:
1. Прочностные свойства породы, обусловленные силами сцепления, сопротивлением сжатию, растяжению, сдвигу.
2. Сжимаемость и пористость, которыми связаны потери энергии на пластические деформации.
3. Вязкость, повышающая затраты энергии разрушения.
4. Плотность, определяющая затраты энергии на преодоление сил инерции.
5. Зернистость, слоистость, сланцеватость, т.е. структурные показатели, указывающие на количество различных дефектов.
6. Трещиноватость, также структурная характеристика, характеризующая нарушенность массива и облегчающая его разрушение, но препятствующая передаче взрывного импульса от одной отдельности к другой.
В.В. Ржевский и Г.Я. Новик предлагают оценивать трудность взрывания показателем, в который входят почти все из указанных факторов:

где кт - коэффициент, учитывающий расход энергии взрыва на перемещение взорванной массы;
σсж, тсдв, σр - сопротивление породы сжатию, сдвигу и растяжению, соответственно;
γ - объемная масса породы.
Исходя из принятой к анализу системы «порода - станок - ВВ», можно выделить параметры, ответственные за разрушение для каждого из элементов системы.
1. Распределение зарядов в массиве пород: диаметр скважин, сопротивление по подошве, расстояние между зарядами в ряду и между рядами, коэффициент сближения, высота взрываемого слоя (уступа), полная глубина скважины, длина заряда, столб забойки, вместимость BB в 1 м скважины.
2. Состояние взрываемой среды: коэффициент крепости, прочность на сжатие, сдвиг и растяжение, модуль всестороннего сжатия, динамическая жесткость, скорость деформации, коэффициент трещиноватости, модуль упругости, объемная масса породы, коэффициент разрыхления.
3. Параметры заряда BB: удельный расход BB, скорость детонации, теплота взрыва, количество и давление продуктов взрыва, импульс взрыва, плотность заряжания, масса заряда.
Рассмотрим физическую сущность объемной формулы Вобана и Де-Виля, связывающую массу BB Q и взрываемый объем V с помощью удельного расхода BB q:

В данном случае Q представляет собой количество энергии, необходимое для разрушения данного объема до требуемого качества. Тогда удельный расход выполняет роль коэффициента пропорциональности между энергией и нагрузкой и отражающий прочностные и инерционные свойства пород массива. Вместе с тем известно, что в зависимости от требований к качеству и степени дробления взрывом, в свою очередь зависящих от возможностей погрузочно-выемочного оборудования или размеров приемных отверстий дробилок, удельный расход может изменяться в довольно широких пределах для одного и того же массива. Иногда к этим требованиям добавляется регламент по ширине развала. Эти важнейшие требования позволяют условно представить общий удельный расход в виде:

где q1 - удельный расход на дробление, необходимое для производительной работы погрузочно-выемочного оборудования;
q2 - составляющая удельного расхода, учитывающая требования дробильно-сортивочного оборудования;
q3 - составляющая удельного расхода, учитывающая размеры и состояние развала горной массы.
При постоянных диаметре скважин и высоте уступа удельный расход регулируется сеткой скважин, т.е. величиной нагрузки на заряд. Тогда удельный расход как показатель взрываемости и взрываемый объем в равной степени адекватны прочностным свойствам пород. Эту связь И.А. Тангаев сформулировал так: объем разрушаемой породы обратно пропорционален ее сопротивлению действию взрыва, при котором расчет параметров буровзрывных работ будет зависеть только от точности оценки прочностных свойств массива.
Ранее, при рассмотрении механизма разрушения пород и массивов действием взрыва, было установлена роль их структурных особенностей в этом процессе. Трещиноватость, как известно, формирует величину акустической жесткости А=ρСр и, следовательно, степень трещиноватости способствует или препятствует прохождению энергии волн напряжений, определяющей эффект разрушения. Известно, что при разрушении массива взрывом он на 65-70% распадается по имеющимся трещинам на отдельности и только в 25-30% случаев наблюдается свежий излом. Это свидетельствует о том, что по скорости звука в массиве можно оценивать трещиноватость и, значит, устанавливать его взрываемость.
Если измерять количество трещин в массиве на единицу длины обнажения, то индекс трещиноватости получим:

Ho поскольку скорость звука в массиве обратно пропорциональна количеству трещин, то связь между ними выражается как:

В целом скорость звука в массиве является характеристикой не только его прочностных свойств, но и является более общим показателем состояния массива относительно механических воздействий на него. При таком подходе к роли скорости звука следует ожидать наличие корреляционной связи его с удельным расходом BB, напрямую связанным с взрываемостью. Для доказательства этого на Коунрадском карьере выполнено прозвучивание девяти промышленных блоков с числом рядов скважин от 3 до 6 при общем фронте измерений более 1500 м. В результате получено распределение величин скорости звука, показанное на рис. 3.25. Ранее аналогичное распределение пород по величине Cp было обнаружено и на Кальмакырском карьере. Одновременно был выполнен анализ параметров буровзрывных работ по паспортам за период 20 лет.

По его результатам также выявлен характер распределения пород карьера по удельному расходу BB (рис. 3.26).
Сравнение распределений по двум параметрам свидетельствует об их полной идентичности. Подвергнув экспериментальные данные корреляционному анализу, установлена связь между анализируемыми показателями для пород Коунрадского и аналогичных ему карьеров:

На момент исследовательских работ в качестве BB использовали промышленные BB с удельной энергией 4,2 МДж/кг.
Следует отметить, что данная формула пригодна для набора пород Коунрадского и схожих с ним месторождений, т.е. конкретный вид уравнения зависит от генезиса месторождения и горных пород. Несмотря на то, что тенденция выявлена верно, она все же не может учесть существенных особенностей конкретных пород и их свойств.

Возможность использования сейсмоакустического метода для оценки взрываемости массивов горных пород все же ограничена вследствие низкой его оперативности, а также отсутствием на предприятиях соответствующей аппаратуры. Кроме того, использование метода возможно на полностью обуренном участке по определенной сетке скважин. Это значит, что в таком случае управление разрушением возможно только изменением массы заряда, т.е. удельного расхода BB для каждой скважины.
Многолетние исследования связи акустических свойств массивов пород с их взрываемостью, выраженной удельным расходом BB, показали, что теснота связи и результаты взрыва во многом зависят от генезиса пород. В частности, для магматических пород и части метаморфических установленное корреляционное выражение имеет довольно высокий коэффициент корреляции, достигая 0,82. Что же касается метаморфизованных осадочных пород - то здесь они ниже - 0,72, и особенно это видно на примере взрывания мраморов, кристаллических известняков, ороговикованных песчаников и других пород с заметно высокой вязкостью.

---