Файл: Ханукаев, А. Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом.pdf

А. Н. Х А Н УК А Е В

ФИЗИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ ПРИ ОТБОЙКЕ

ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ

МОСКВА „НЕДРА"

1974

УДК 622.235 : 622.236.4.026.5 : 534.222.2

Гос. п бличм :я

научно-т* ,ич библио .>Oiletь« а. f*

эк з е м п л я р

ЧИ ТАЛ ЬН О ГО ЗА Л А

W - 3 4 3 3 ?

Ханукаев А. Н. Физические процессы при отбойке тор­ ных пород взрывом. М., «Недра», 1974. 224 с.

В книге приведены основные сведения о составе и свой­ ствах пород с точки зрения разрушения их взрывом, теории и критерии прочности, необходимые для расчета затрат энергии взрывчатых веществ на дробление и перемещение породы. Рассмотрены закономерности образования и рас­ пространения ударных волн и волн напряжений в породе в ближней, средней и дальней зонах взрыва, вопросы взаимо­ связи параметров детонационной и ударной волн в породе. На основе известных положений теории упругости изложена методика расчета поля напряжений при взрывании одиноч­ ных и групповых зарядов.

Большое внимание уделено процессу разрушения при различных методах отбойки, различных способах взрывания и управлению степенью дробления горных пород взрывом. Наряду с изложением закономерностей распространения ударных воздушных и сейсмовзрывных волн приведены реко­ мендации по устранению или уменьшению их вредного вли­ яния на подземные выработки и горное оборудование.

Книга предназначена для научных и инженерно-техни­ ческих работников, занимающихся взрывными работами, и может быть полезна преподавателям и студентам горных, геологоразведочных и инженерно-строительных вузов.

Табл. 31, ил. 131, список лит. — 100 назв.

© Издательство «Недра», 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эффективность работы горного предприятия существенно зависит от качества отбойки горной массы. Несмотря на наличие мощных средств для управления действием взрыва, таких, как коротко­ замедленное взрывание, регулирование мощности ВВ по высоте заряда, направленное взрывание и др., не всегда удается достигнуть необходимой степени дробления. Это объясняется недостаточной изученностью физических явлений. Даже в таком важном вопросе, как оценка степени дробления, пользуются разными показателями — процентом выхода негабаритных кусков, диаметром средневзвешен­ ного куска, фракционным составом взорванной массы. Эти показа­ тели не являются обобщающей характеристикой взорванной массы. Между тем без надежных методов оценки степени дробления трудно наметить пути управления действием взрыва и установить влияние степени дробления на стоимость отдельных технологических опера­ ций и общую стоимость добычи полезного ископаемого.

Весьма важным является также подбор типа ВВ и приведение его детонационных характеристик в соответствие со свойствами гор­ ных пород, при которых коэффициент использования энергии взрыва является максимальным. В большинстве случаев эта задача решается приближенно, без достаточного научного обоснования. Легко пред­ ставить в масштабах нашей страны экономический эффект от примене­ ния ВВ, свойства которых соответствуют конкретным горно-геоло­ гическим условиям.

С ростом производственной мощности горных предприятий

иобъема взрывных работ увеличилась интенсивность воздействия ударных воздушных волн и сейсмических колебаний на сооружения

игорные выработки, что потребовало разработки специальных мероприятий по уменьшению их разрушительного действия.

Для рационального использования энергии взрыва и управления действием взрыва необходимы также сведения о сопротивляемости горных пород действию взрыва и о процессе разрушения горных пород при различных методах и способах взрывания.

Без накопления достаточного количества данных о параметрах ударной волны в различных средах, волны напряжений и сейсмо­ взрывных колебаний в массиве горных пород, без данных о коли­ честве энергии, передаваемой зарядом породе, и о характере распре­

Г л а в а I

О СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ДЕЙСТВИЮ ВЗРЫВА

§ 1. Факторы, влияющие на сопротивляемость торных пород действию взрыва

Задачей взрыва является получение заданной кусковатости, необходимой формы навала взорванной массы и ее перемещение на заданное расстояние. Эта задача обычно решается эмпирически — подбором параметров буровзрывных работ, включая подбор типа ВВ, способов и схем взрывания, интервалов замедления и др.

Сложность учета физических процессов, изменяющихся с измене­ нием условий ведения взрывных работ, вынуждает проводить испы­ тания многократно, при этом остается неизвестным, является ли полученный результат оптимальным.

Решение задачи было бы облегчено, если бы имелись сведения о протекающих при разрушении процессах. Для анализа физических явлений необходимо иметь данные о сопротивляемости горных пород действию взрыва. Сопротивляемость массива действию взрыва за­ висит от свойств пород и массивов, величины, длительности и формы взрывного импульса. Свойства пород и массивов, в свою очередь, зависят от условий образования, минерального состава и последу­ ющих тектонических процессов, а величина, длительность и форма взрывного импульса — от типа ВВ, формы, размеров и конструкции заряда, схем взрывания и интервалов замедления. Сопротивляе­ мость пород действию взрыва зависит также от абсолютных размеров обнаженных поверхностей, их числа и расположения относительно заряда.

Состав горных пород, силы связи, трещиноватость. Горные породы обычно представляют трехкомпонентную среду, состоящую из твердых частиц, жидкости и газов.

Нагрузка, приложенная к породе, вызывает изменение плотности каждого из компонентов, в результате чего изменяются ее свойства.

Средняя плотность трехкомпонентной горной породы

5

т — суммарная масса всех трех фаз; V — общий объем.

Плотность минералов, из которых слагается твердый скелет, до­ стигает 4 г/см3 и более [1]. Плотность горной породы не превышает плотности составляющих ее минералов и обычно равна от 1,1 до 3 г/см3. С увеличением плотности, как правило, увеличивается прочность породы и ее сопротивляемость действию взрыва, при этом затраты энергии на дробление и перемещение породы увеличиваются.

Пористость породы, равная отношению объема пор к общему объему породы, выражается в долях единицы или в процентах:

Р = <х2 + а3;

Р% = (а 2 + а3)100.

Пористость твердых пород колеблется от 0,1 до 50%, чаще от 1 до 20%. Под давлением пористость уменьшается, например, у глин от 50 до 7%. С увеличением пористости скорость распространения возмущений при взрыве — ударной волны и волны напряжений — уменьшается.

С ж и м а е м о с т ь — способность уменьшаться в объеме глав­ ным образом за счет уменьшения объема пор и пустот. Абсолютная величина сжимаемости зависит от пористости, содержания жидкости и газа, а также от величины и длительности прилагаемой нагрузки.

Известно, что прочность кристалла обусловлена внутримоле­ кулярными силами взаимодействия, строением кристаллической решетки и ее дефектами. Поскольку горные породы представляют агрегаты минералов с различными типами химической связи, то они обладают различными по величине молекулярными силами сцеп­ ления.

Силы сцепления между кристаллами обычно меньше сил сцепле­ ния внутри самого кристалла, при этом силы сцепления между кристаллами тем меньше, чем больше крупность кристалла. Мелко­ зернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозер­ нистые. Во многих породах прочность связей между зернами меньше прочности самих зерен, и трещина может проходить между ними.

Дефекты обусловлены либо отсутствием атомов в некоторых узлах кристаллической решетки, либо наличием вклинившихся между узлами других атомов. Могут иметь место также дефекты, обуслов­ ленные нарушением нормальной структуры из-за сдвига одной части кристалла относительно другой [2]. Дефекты, в виде пор, пустот, микротрещин, неоднородностей, плоскостей спайности и др. имеются в любом элементе горной породы. Все они являются местами кон­ центрации напряжений. Если микродефекты влияют на свойства элемента, то трещины влияют на свойства массива. Сильнотрещино­ ватый массив квазиизотропен. Однако обычно массив рассечен не­ одинаковыми по интенсивности и направлению трещинами, поэтому он в той или иной степени также анизотропен. Наибольшей анизо­ тропией обладают массивы осадочного и метаморфического происхо­

6

ждения, наименьшей — изверженные. В ряде случаев анизотропия даже изверженных пород проявляется довольно резко, что легко проследить по скорости распространения продольной волны в раз­ личных направлениях.

Из трех видов пород — изверженных, осадочных и метаморфиче­ ских — н а и б о л ь ш е й с о п р о т и в л я е м о с т ь ю дей­ ствию взрыва обладают изверженные, н а и м е н ь ш е й — осадоч­ ные и метаморфические.

Естественная трещиноватость оказывает существенное влияние на дробимость горных пород и гранулометрический состав взорван­ ной массы. В массиве крупноблочной структуры содержится много кусков, размеры которых превышают кондиционные. Воздействию взрыва подвергается главным образом та часть массива, которая непосредственно примыкает к заряду. Остальная часть перемещается

Рис. 1. Виды упругих волн, отражающихся от границы раздела:

Со — фронт продольной волны; Cs — фронт поперечной волны; К — фронт конической волны; Сд —- точка,

в которой начинается формирование поверхностной волны Релея; F — возмущающая сила

без существенного дробления. При взрыве одиночного заряда число некондиционных кусков во взорванной массе пропорционально числу кусков в массиве до взрыва. При короткозамедленном взры­ вании зарядов имеет место соударение частей массива, которое ведет к дополнительному дроблению.

Следует отметить, что основная часть энергии заряда расходуется на перемещение породы. Она пропорциональна плотности породы. Лишь небольшая часть энергии ВВ (не более 1 —2%) расходуется на дробление. Тектонические трещины являются границами, от кото­ рых волна отражается, в результате чего ее интенсивность умень­ шается и она не может оказать сильного разрушающего действия на ту часть массива, которая расположена за трещинами.

Упругие свойства. В зоне высоких давлений горная порода ведет себя подобно жидкости. В последней, так же как в газах, распространяется только продольная волна. При сравнительно небольших нагрузках в грунтах и скальных породах распростра­ няется продольная и поперечная волны. При падении продольной или поперечной волны на границу раздела сред от последней отра­ жается обычно и продольная, и поперечная волна, при этом вдоль границы вначале распространяется продольная, затем поперечная, а за ней поверхностная волна Релея (рис. 1). Связь между видами волн, упругими свойствами горных пород — упругими постоянными и плотностью — установлена теорией упругости.

7

где Е — модуль упругости; (х — коэффициент Пуассона;

в стержнях, у которых поперечное сечение значительно меньше

Скорость распространения поперечной волны в стержне, пластине и безграничной среде

Скорость распространения поверхностной волны Редея

В жидкости модуль сдвига G = 0 и продольная волна распростра­ няется со скоростью

Величины К, G, Е и ц взаимосвязаны:

В теории упругости используется также обозначение

Ец

(1-Ь|х)(1 — 2ц) '

8