Основы управления энергией взрыва

Взрыв химического конденсированного или гранулированного BB является сложным быстропротекающим процессом, основными разрушающими агентами которого считаются волна напряжений и самостоятельное воздействие продуктов взрыва. Распределение долей разрушаемого объема, между волнами напряжений и продуктами взрыва многозначно и зависит от свойств BB и среды.
Поэтому управлять энергией взрыва также можно различными способами путем формирования условий переводы энергии BB в область действующих волн, и качественно-количественного состояния продуктов взрыва.
Наиболее плодотворными способами управления процессом взрыва являются:
а) изменение массы и типа BB, в том числе регулированием плотности заряда и мощности инициатора;
б) изменение диаметра заряда, его формы и параметров расположения зарядов в массиве;
в) использование различной конструкции зарядов;
г) применение однорядного и многорядного расположения зарядов и различных схем КЗВ;
д) изменение высоты уступа и, следовательно, высоты столба (длины) BB;
е) изменение направления детонации за счет различного расположения инициатора, в том числе и внутрискважинным замедлением;
ж) изменение величины забойки и ее качества;
з) использование парносближенных или кустов скважин;
и) изменение величины нагрузки на заряды путем взрывания на неподобранный забой.
Практически в производстве используются 4-5 способов управления, что в совокупности приносит ощутимые результаты, проявляющиеся в качестве дробления и проработки подошвы уступа, стенок выработки, ширине развала, в устойчивости бортов карьера и отдельных уступов, кровли выработок и т.п.
В свое время Г.П. Демидюк предложил формулу для оценки удельной потенциальной энергии взрыва:

где к - коэффициент, изменяющийся в зависимости от геометрических факторов (длины заряда, глубины перебура и др.);
d - диаметр заряда;
р - плотность BB;
Q - удельная теплота взрыва;
W - сопротивление по подошве.
В этом соотношении представлены все факторы воздействия заряда на породу. Здесь геометрические параметры - это по существу соотношения между сосредоточенным и удлиненным зарядами, ранее было показано, что суммарный импульс у последнего примерно на 30% выше, чем у сосредоточенного. Понятно, что выход полезной энергии этих двух видов зарядов при одной и той же массе BB различно.
Диаметр заряда, начиная с критического диаметра, который для различных BB разный, практически не влияет на скорость детонации и, следовательно, его влияние сказывается на концентрации энергии. Что касается скорости детонации, то ряд BB, особенно гранулированных и более простейших (типа игданита, динамона, зерногранулитов) с низким содержанием тротила, чутко реагируют на уменьшение диаметра. Например, ниже 55 мм заметно снижается скорость детонации. Принято считать, что более 100 мм при длине заряда 30-50 м скорость детонации стабильна для данного типа ВВ. Например, ТЭН, которым снаряжен ДШ, при диаметре 1,8 мм и плотности 0,9 г/см3, имеет среднюю скорость детонации 7000-7200 м/с. При уменьшении диаметра до 0,5 мм, скорость снижается до 2800 м/с, при этом на первых 3 м она составляет 5800 м/с, затем падает и после 3-3,5 может затухнуть.
Плотность заряжания - еще более существенно влияет на энергетические возможности ВВ. Уменьшение плотности приводит к уменьшению всех детонационных характеристик ВВ. Связь между скоростью детонации и плотностью прямая. Например, для ТЭНа при плотности 0,6 г/см3 скорость детонации снижается до 4000 м/с, при плотности 0,5 - уже 3000-3200 м/с при диаметре 1,2-1,8 мм.

Что дает управление плотностью заряжания в технологическом смысле? Конфигурация откосов уступа и положение заряда свидетельствуют о необходимости преодоления различных величин сопротивления W. Желательно иметь W равной по длине заряда. В действительности она увеличивается к нижней бровке уступа (рис. 3.30). Тогда для выполнения этого условия необходимо:
- увеличить книзу диаметр заряда, что выполнить технически сложно;
- увеличить плотность в направлении нижней бровки, что вполне реально при использовании зарядчиков с программированным управлением плотностью заряжания.

Другим способом управления параметрами взрыва является изменение уровня давления продуктов взрыва и временем его воздействия на породу с помощью воздушных промежутков. Наиболее точно характеризует эти возможности рис. 3.31. Здесь, прежде всего, отмечается возрастание длительности импульса, но при этом несколько падает давление при наличии воздушного промежутка. Естественно и разрушение должно протекать иначе, как правило, интенсифицируется дробление и становится более равномерным. Заряды с воздушными промежутками обеспечивают встречные потоки продуктов взрыва, что приводит к более длительному их воздействию на стенки скважины.
Одним из наиболее существенных способов управления энергией взрыва является использование КЗВ, обеспечивающее перераспределение главный усилий, что возможно при использовании различных схем коммутации взрывных сетей и периодов замедления.
Повышение эффективности взрыва при КЗВ очевидно можно объяснить многократным интерферированием волн напряжений, и соударениями кусков породы. Однако это возможно лишь при правильном выборе интервала замедлений, что было показано ранее. При последовательном взрывании скважинных зарядов или рядов скважин, в результате взаимодействия волн напряжений параметры суммируются:
- максимальные напряжения и импульс возрастают в 1,5 раза:
- энергия возрастает в 2 раза.
Отсюда следует, что при КЗВ с увеличением параметров волн напряжений, разрушаемый объем увеличивается в тех же пропорциях. Период времени эффективного протекания процессов при взрыве двух зарядов или рядов определяется как:

где а - расстояние между зарядами; λ - длина волны напряжений; Cp - скорость продольной волны в невозмущенном массиве.
Поскольку Cp и λ определить сложно, то имеются и другие формулы для установления периода замедлений.
Степень дробления горных пород зависит от их прочности, а степень дробления массива — от его трещиноватости, которые в совокупности с сеткой скважин или шпуров, определяемой диаметров заряда и типом BB, обусловливают размеры среднего куска.
Критериями степени дробления являются полученный после взрыва гранулометрический состав, выход мелкой фракции и процент выхода негабарита. Совокупность характеристик разрушенной взрывом горной массы и факторов, от которых они зависят, говорят о многогранности и сложности задачи управления степенью дробления.
Мощность и работоспособность BB и степень дробления находятся в прямой зависимости при фиксированных прочих параметрах при взрыве в относительно монолитном массиве. Свойство трещиноватости и ее генезис совершенно иначе представляет тип BB в вопросе степени дробления. Многочисленные лабораторные и производственные эксперименты свидетельствуют, что при взрыве трещиноватый массив распадается по имеющимся трещинам (70%) и только в 30% случаев наблюдается образование свежего скола, и то это в ближней зоне к заряду (5-12)d3.
Поэтому лучше всего степень дробления увязывать с диаметром заряда, а его с сеткой скважин, длиной заряда и забойки. Существуют ограничения по правилам безопасности в выборе минимальной длины забойки, которая должна быть не менее (15-20)d3.
Еще в 1964 году проф. Ф.А. Баум и С.С. Григорян, рассматривая эффективность забойки, установили, что это возможно при отношении массы забойки к массе заряда равном 2.
Для каждого типа BB, крепости пород массива, его трещиноватости имеют место свои оптимальные соотношения между основными параметрами:

Нарушение этих соотношений приводит к ухудшению степени дробления. Чаще всего нарушается соотношение длины заряда к его диаметру, что предопределяет необходимость рассредоточения заряда, разделения его на 2-3 части.
Ширина развала - параметр, характеризующий не только качество дробления пород, но и возможности выемочной техники в аспекте развития технически установленной производительности, а также, - что не менее важно, - способность с помощью этой техники производить селективное отделение полезного ископаемого от пустой породы или некондиционной горной массы.
Управление шириной развала необходимо также при определении местоположения подъездных путей, линий электропередач и других коммуникаций, их сохранности при производстве взрывных работ.
Ширина развала, как результат взрыва, зависит от количества BB и высоты взрываемого уступа, и в определенной степени - от условий взрывания (угла откоса, крепости пород, наличия свободной боковой поверхности или буфера и т.п.).
На сегодня ширина развала колеблется от 2 до 5 высот уступа. Однако имеются возможности управлять ею и в некоторых случаях сводить ее по 1-2 высоты уступа.
Ширину развала при взрывании на свободную поверхность откоса можно определить из выражения:

где Ну - высота уступа;
Kp - средний коэффициент разрыхления горной массы в развале;
η - коэффициент, учитывающий трудность взрывания и соответственно равный для крепких пород 1, для пород средней крепости - 0,9, для слабых - 0,8.
Наличие буфера из ранее взорванной породы с коэффициентом разрыхления 1,15-1,20 мощностью, равной W сокращает ширину развала в два раза.
Образование развала определенной ширины одновременно означает, что все элементы массива смещаются в направлении свободных поверхностей, и они носят закономерный характер. Нашими исследованиями установлено, что смещения частей массива по линии первого ряда скважин в сторону откоса равны:

Последнее соотношение при взрывании на буфер. Следует учесть, что мощность буфера строго регламентируется крепость взрываемых пород и для крепких пород она не должна превышать W, а для слабых - не ограничена.
В формулах Kp - коэффициент разрыхления по первому ряду скважин. Поскольку, как установлено, Kp изменяется по рядам скважин, последовательно уменьшаясь от первого к последнему ряду, то и смещения элементов уступа также уменьшаются:

где Kp - средняя величина коэффициента разрыхления по развалу; Np - номер ряда скважин от откоса уступа.
Смещение верхней части уступа больше нижней, тогда изменение коэффициента разрыхления по высоте уступа описывается соотношением:

где hp - высота развала.
Энергия BB также определяет изменение Kp. для современных BB и условий расположения скважин на уступе, можно установить связь между удельным расходом (взрываемостью пород) и коэффициентом разрыхления:

Коэффициент разрыхления в целом характеризует физическое состояние массива, которое оказывает влияние на многие последующие за взрыванием процессы горного производства. Физическое состояние взорванного массива можно прогнозировать по следующему алгоритму:

Понятно, что в совокупности эти параметры будут обусловливать устойчивость взорванного массива от обрушения во время экскавации и, следовательно, объемы примешиваемых пустых пород или потерянного полезного ископаемого.
Управление физическим состоянием взорванного массива под землей имеет еще большее значение. Оно зависит от величины компенсационного пространства и оказывает влияние на форму и параметры эллипсоида выпуска отбитой руды из блока, что обусловливает наличие или отсутствие притока пустых пород при выпуске. При низких значениях Kp и ограниченных размерах выпускного отверстия коротких восстающих, могут образовываться заторы вследствие повышенного выхода негабарита.
При строительстве крупных ГТС, сооружении плотин взрывным способом, от физического состояния тела плотины зависит ее водопропускная способность, т.е. коэффициент фильтрации через тело плотины и его допустимые пределы.
Прогнозированию также подлежат сейсмическое воздействие взрыва или действие ударной воздушной волны и возможность управления этими явлениями.

---