при короткозамедленном взрывании зарядов ВВ

Процесс разрушения пород

 

Короткозамедленным взрыванием (КЗВ) называют последовательное взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды. Впервые КЗВ было применено в 1934-1935 гг. инженером К. А. Берлиным при проходке вертикального ствола для получения в центре забоя конусообразного навала породы. С 1950-х метод начали применять для снижения сейсмического действия взрыва и улучшения качества дробления пород.

Основными параметрами, определяющими эффективность КЗВ, являются интервал замедления и последовательность разрушения участков массива и их движения (соударения) в процессе разлёта горной массы. Факторы эффективности КЗВ, которые следует рассматривать как составные части единого процесса взаимодействия зарядов:

- интерференция волн напряжений от соседних зарядов (при интервалах замедлений до 5 мс);

- образование дополнительных открытых поверхностей (при замедлениях 15-200 мс);

- соударение разлетающихся кусков при взрыве соседних зарядов (при замедлениях более 200 мс).

Интерференция волн напряжении происходит в том случае, когда направление смещения частиц от предыдущего и последующего взрывов совпадают, при этом увеличиваются суммарные смещения, напряжения и интенсивность разрушения массива. Требуемый интервал замедления т по формуле Г. И. Покровского:

 

 

где а - расстояние между зарядами, м; W - ЛНС или ЛСПП, м; Су - скорость распространения волн напряжении в массиве, м/с.

При Су 4-5 км/ с, ЛНС1-8 м время прохождения волн напряжении - 0,25-2 мс, срабатывание зарядов должно происходить при прохождении через них волн напряжений. Сейчас разработаны электронные детонаторы, разрабатываются лазерные системы, позволяющие выдерживать такие интервалы замедления с точностью до 1 мс, чтобы обеспечить интерференцию волн напряжений, в то время как применяемые средства инициирования дают разброс замедления в десятки миллисекунд. Поэтому использование эффекта интерференции волн напряжений возможно, когда будет обеспечено чёткое измерение свойств пород в массиве и выдерживание необходимых интервалов замедления.

Образование дополнительных открытых поверхностей взрывом предыдущих серий зарядов приводит к возникновению дополнительных отражённых волн растяжения от свободных поверхностей массива от взрыва предыдущих серий, что увеличивает эффект разрушения, ослабляет массив и облегчает его окончательное разрушение давлением газов взрыва. В сторону открытой поверхности происходит сдвижение породы при её разрушении. С увеличением числа открытых поверхностей массива у взрываемого заряда объём разрушения увеличивается примерно пропорционально их числу за счёт более благоприятных условий разрушения.

Дробление породы всегда происходит с увеличением первоначального объёма при смещении её в сторону открытых поверхностей. Если ширина пространства между нарушенной и ненарушенной частями массива менее 1/20 W (с учётом величины ЛНС и минимального коэффициента разрыхления), после первого взрыва порода будет оказывать дополнительное сопротивление следующему взрыву. Поэтому интервал замедления между взрывами зарядов в миллисекундах по принятым сейчас теориям разрушения следует выбирать из условия образования открытой поверхности после первого взрыва:

 

 

где - время распространения волн напряжений от заряда до открытой поверхности, = 1-2 мс; - время образования трещин по контуру призмы разрушения. =15-20 мс для скважин диаметром 220-250 мм; - время сдвижения массива для образования трещины достаточной ширины.

= 10-15 мс для скважин диаметром 220-250 мм.

Из геометрических соображений

 

 

где - скорость образования трещин при взрыве, м/с; = 0,5-1,0 - коэффициент трещиноватости; а = 45 ° - угол полураствора воронки (призмы) разрушения.

 

 

Для определения принимается, что разрушаемый взрывом заряда объём породы сдвигается как монолитная призма:

 

 

где W - ЛСПП; - плотность породы, кг/ см3; d - диаметр скважины, м.

Таким образом, общее время образования новой свободной поверхности составляет 25-35 мс.

Если рассматривать развитие взрыва с позиций современных представлений процесса разрушения горных пород при динамическом нагружении, то принимается, что конечная его стадия - потеря сплошности и переход среды в качественно новое состояние (её фрагментация, обусловленная развитием макротрещин) - является лишь заключительным актом, а сам процесс разрушения характеризуется последовательным зарождением и развитием дефектов структуры на различных масштабных уровнях - зарождением и развитием микродефектов на первой стадии и формированием макроразрушения на второй стадии¹. Согласно расчётам, размер области предразрушения (в которой происходит снижение прочностных свойств пород и развивается трещиноватость, превышающая естественную) горных пород типа гранита составляет от 100 до 230 - в зависимости от физико-механических свойств породы (рис. 4.8).

 

 

- радиус зоны дробления

- радиус зоны трещинообразования

- радиус зоны предразрушения

 

 

Рис. 4.8. Зоны разрушения и предразрушения при взрыве в горных породах

 

 

Структура области предразрушения породы определяется как кластер - связанные каналы сложной геометрии. На стадии предразрушения он не ведёт к дезинтеграции породы/ но может в значительной степени изменить её проницаемость и при последующем нагружении породы зона предразрушения развивается в область дезинтеграции породы с образованием трещин. В силу высокой начальной интенсивности взрывного нагружения и относительно медленного затухания амплитуды в волне напряжений формируется область предразрушения значительной протяжённости - это самая масштабная область по размеру изменений в массиве пород при взрыве. При этом многократное воздействие взрывных нагрузок с большим интервалом замедления вызывает разупрочнение массива пород за счёт возникающих микронарушений.

Воздействие каждого импульса вызывает определённое число нарушений как в результате развития существующих в породе нарушений при воздействии прямой волны сжатия, так и образования новых в местах концентрации напряжений, дислокаций, ослабленной прочности и т. д., при воздействии волны растяжения, сменяющей волну сжатия через определённый промежуток времени. Увеличенное время между взрывами отдельных скважинных зарядов, необходимое для возникновения зоны растягивающих напряжений (рис. 4.9), позволяет усилить эффективность предразрушения, ибо горные породы растягивающей нагрузке сопротивляются на порядок слабее, чем сжимающей. Именно на этом эффекте основано повышение эффективности разрушения пород при больших интервалах замедления.

 

 

- время нарастания напряжений от 0 до mах

- время спада напряжений от mах до О

r = r/ - относительный радиус заряда

 

 

Рис. 4.9. Зоны распространения ударных волн (1), волн сжатия (2) и сейсмических волн (3)

 

 

Соударение перемещающихся от взрыва зарядов кусков породы, вызывающее их дополнительное дробление, происходит вследствие того, что разные участки массива при взрыве имеют разные скорости и направления движения. Наилучший эффект достигается при встречном или под углом 90° соударении. Расчётами установлено, что при разности скоростей движения более 15 м/с происходит дробление соударяющихся кусков.

Результаты взрывов при дроблении горных пород должны удовлетворять следующим требованиям.

Порода при взрыве должна быть раздроблена на куски, не превышающие определенного размера по крупности, а выход негабаритных кусков и мелочи должен быть минимальным (< 5 %). Наличие во взорванной горной массе большого количества негабарита (более 10 %) в 1,5-2 раза снижает производительность погрузочнотранспортного оборудования и снижает срок его службы, а вторичное дробление негабаритов нарушает режим работы карьера.

После взрыва на земной поверхности не должно быть завышения подошвы уступа (порогов), а также заколов за последний ряд скважин. Выброс породы за линию скважин на верхнюю бровку уступа должен быть минимальным.

Развал взорванной породы должен быть заданной ширины и высоты, обеспечивающих высокопроизводительную и безопасную работу экскаваторов.

Запас взорванной горной массы в забое должен обеспечивать бесперебойную и высокопроизводительную работу погрузочно-транспортного оборудования.

Схема взрывной цепи и конструкция заряда должны обеспечивать полноту детонации всей заряженной массы ВВ в наиболее благоприятном для разрушения массива режиме.

При взрыве не должно происходить не предусмотренных проектом разрушений или повреждений окружающих объектов сейсмическим действием, воздушными ударными волнами, разлетающимися кусками породы.

Необходимое дробление породы обеспечивают выбором правильного метода ведения взрывных работ для конкретных условий, а также правильным сочетанием и использованием факторов, влияющих на степень дробления породы (удельный расход ВВ, параметры заряда, схема взрывания и т. п.).

Наиболее полно степень дробления (кусковатость) характеризуется гранулометрическим составом взорванной горной массы, определение которого на практике весьма трудоемко и применяется чаще при лабораторных опытах. На горных предприятиях для оценки качества взрыва определяют выход негабарита по объёму и его гранулометрический состав, а также число негабаритов на 1 м3 взорванной горной массы, т. к. от выхода крупных фракций зависит производительность и надежность работы погрузочного и транспортного оборудования, расходы и затраты времени на вторичное дробление, нарушающее ритмичность работы предприятия.

 

Важен бывает и выход мелких, некондиционных фракции (отходов).

На горных предприятиях применяют прямые и косвенные методы определения выхода негабарита и гранулометрического состава горной массы.

Прямые методы:

- поштучный учёт (обмер) всего негабарита, подлежащего вторичному взрыванию;

- планиметрический метод измерения, при котором выход негабарита определяют как отношение суммарной площади негабаритных кусков в плане к общей площади, на которой проводятся измерения. Удобнее вместо трудоемких замеров в развале делать фотографии и анализировать их - фотопланиметрический метод. На фотопланограмме в масштабе подсчитывают отдельности по классам крупности, устанавливая их размеры по расстоянию между пересекающими данную отдельность индикатрис сами;

- количественный метод, при котором подсчитывается число негабаритных кусков на анализируемой площади. Число штук негабарита на 1 м3 горной массы определяют по выражению

 

 

где n - число негабаритных кусков на площади замера S, м2.

Выход негабарита

 

 

где - выход негабарита, %; - средний объём негабарита, м3;

- линейный метод, при котором по развалу взорванной породы на различных интервалах через определённое расстояние натягивают ленты и измеряют длину всех крупных кусков, попавших на них. Выход негабарита определяют как отношение суммарной длины крупных кусков к общей длине линии в процентах;

- ситовый метод, применяемый для расчёта среднего диаметра (размера)

куска:

 

 

где - выход кусков данной фракции, %; - диаметр среднего куска данной фракции (средина класса), см.

Графики гранулометрического состава строят в простых или суммарных процентах.

Иногда при взрывании эффективность разрушения оценивают вновь образованной поверхностью , величину которой определяют по формуле

 

n

i=1

 

 

где р - плотность породы, т/м³; - масса каждой фракции, т; S - открытая площадь массива до взрыва, м²; п - число фракций; - средний размер каждой фракции, м.

Сложность этого метода в трудности определения величины вновь образованной поверхности для мелких фракций, где и заложена основная ее доля. Поэтому в производственных условиях при анализе ранее проведенных взрывов пользуются косвенными методами оценки выхода негабарита по расходу детонаторов и БВ на вторичное дробление.