Антощенко Н.И., Попов А.Я. Разрушение горных пород взрывом

Подождите немного. Документ загружается.

Когда это давление превысит прочность породы, то в наиболее

слабых местах образуются трещины. Газы взрыва, проникая в тре-

щины, раскалывают породу на отдельные крупные куски, отрывают

и отбрасывают их от массива. Такие ВВ называются метательными.

Если при взрыве ВВ происходит дробление среды в непосред-

ственной близости к заряду (несколько его радиусов), то такая спо-

собность называется бризантностью. В результате выхода детонаци-

онной волны на поверхность контакта заряда ВВ с разрушаемым ма-

териалом в среде возникает область сжатия с резким скачком плот-

ности и температуры на переднем фронте. Величина возникающих

при этом максимальных напряжений зависит от давления и скорости

их нарастания на фронте детонационной волны. Поэтому с увеличе-

нием скорости детонации, плотности ВВ и уменьшением ширины зо-

ны химической реакции возрастает бризантное действие, в зоне ко-

торого воздействие импульсных давлений превосходит предел про-

чности материала и возникают значительные деформации, что при-

водит к переизмельчению хрупких и интенсивному уплотнению пла-

стичных материалов. Бризантность взрывчатых веществ определяют

по выходу фракций при дроблении породной (в некоторых случаях

металлической) оболочки вокруг заряда. Бризантное действие оце-

нивают (методика Л.И. Барона, С.П. Левчика) по результату взрыва

заряда ВВ массой 20г в базальтовом кубическом блоке (ребро длиной

150 мм), помещённом в стальной сосуд; определяют выход дроблё-

ной фракции (размер частиц менее 7 мм). Косвенно бризантность

взрывчатых веществ оценивают путём измерения импульса взрыва

по степени обжатия свинцового цилиндра (Гесса проба), медного

крешера (бризантометр Каста) или по отклонению баллистического

маятника. Показатель бризантности промышленных ВВ по Гесса

пробе находится в диапазоне 4 − 23 мм.

Бризантные взрывчатые вещества − вещества, превращение ко-

торых происходит в форме детонации; используются в целях разру-

шения, дробления горных пород, металлических оболочек боеприпа-

сов, сооружений и т.п. Бризантные взрывчатые вещества могут быть

отдельными химическими соединениями (тротил, гексоген, тэн, нит-

роглицерин, нитросоединения и органические нитраты) и смесями

(аммониты, динамоны, аммоналы, динамиты и др.). Детонация в бри-

зантных взрывчатых веществ возбуждается взрывом инициирующих

ВВ, вследствие чего бризантные взрывчатые вещества называют

также вторичными. Бризантные взрывчатые вещества применяют на

взрывных работах в горной промышленности, строительстве и дру-

гих областях народного хозяйства, при обработке металлов взрывом,

в сейсморазведке и др.

Действие взрыва на расстоянии. Детонационная волна на

границе заряда вызывает в окружающей среде, например в воздухе,

ударную волну. Вблизи места взрыва – на протяжении 7 − 14 радиу-

сов заряда r вместе с воздушной ударной волной движутся продукты

взрыва, плотность которых в 20 раз выше плотности воздуха на

фронте ударной волны. Они оказывают значительно большее дина-

мическое действие на преграду, чем ударная волна. На расстоянии

(14÷20)r продукты взрыва вследствие рассеивания и отставания от

воздушной ударной волны оказывают примерно одинаковое с по-

следней действие. На расстоянии 20 r разрушительный эффект обу-

словливается только действием ударной волны.

Продукты взрыва заряда и ударная волна в воздухе могут вы-

звать взрыв второго близко расположенного заряда. Такой взрыв на-

зывается взрывом через влияние. Первый заряд называется актив-

ным, второй – пассивным.

Дальность передачи детонации возрастает с увеличением мас-

сы, мощности и плотности ВВ активного заряда, а также с уменьше-

нием плотности и повышением чувствительности пассивного заряда.

Дальность передачи детонации возрастает с увеличением диаметра

активного и пассивного зарядов. Дальность передачи детонации (L

)

зависит также от плотности и упругости среды, в которой распро-

страняется ударная волна: чем больше упругость и меньше плотность

среды, тем больше дальность передачи детонации. Детонация хоро-

шо передается через воздух, несколько хуже через воду, еще хуже

через дерево, глину, песок.

В общем случае L

определяется эмпирической зависимо-

стью:

= к

g Q⋅

, м (4.15)

где к

− коэффициент, зависящий от свойств среды и ВВ;

Q – масса заряда, кг.

У прессованных и пластичных ВВ дальность передачи детона-

ции, как правило, меньшая, чем у порошкообразных. Сенсибилизи-

рованные нитроэфирами ВВ имеют большую передачу детонации. В

шпурах (и вообще при канализации детонационной волны) детона-

ция передается на расстояние, в 2 − 4 раза большее, чем на открытом

воздухе.

Безопасные расстояния по передаче детонации, на которые не

передается детонация, важно знать при оценке детонационной спо-

собности ВВ для создания условий для полной детонации зарядов, а

также для создания безопасных условий при хранении и транспорти-

ровании ВВ.

4.2 Общие положения о работе взрыва

Главными энергетическими характеристиками ВВ являются

объем газообразных продуктов, теплота, температура и давление

взрыва. Первые три характеристики являются важнейшими констан-

тами ВВ, а давление зависит не только от состава ВВ, но и от усло-

вий взрывания.

Работа взрыва выполняется за счет потенциальной энергии ВВ

расширяющимися газами взрыва. Работу расширения газов взрыва до

атмосферного давления называют полной идеальной работой взрыва:

























−=

−

VП.И.

1QA , ккал/кг, (4.16)

где

Q − потенциальная энергия ВВ;

P,P − начальное и конечное давление газов;

k = − отношение средних теплоемкостей газов взрыва при постоян-

ном давлении и постоянном объеме (показатель адиабаты).

Отношение

.И.П

П.И.

η=













−=

−

(4.17)

является идеальным коэффициентом использования энергии ВВ. Да-

же при расширении газов до атмосферного давления

П.И.

η < 1 и зави-

сит от величины

C/Ck

. Величина

зависит от состава газов

взрыва: чем больше в них двухатомных молекул газов, тем меньше

среднее значение

C и больше значение k. В продуктах взрыва гек-

согена, например, двухатомных газов 2/3 и трехатомных – 1/3 и

=1,25. В продуктах взрыва нитроглицерина соотношение обратное

=1,2. Для подавляющего большинства ВВ значение

П.И.

η находит-

ся в пределах 0,72 − 0,86. Так, например, для тротила

П.И.

η = 0,833, для

гексогена – 0,866, для нитроглицерина – 0,797, для динамита

62 % − 0,76, для аммонала – 0,724, для аммонита № 6ЖВ – 0,837.

Полную идеальную работу взрыва можно определить также,

пользуясь перепадом температур газов взрыва или их объемов:

























−=

−1k

V.И.П

1QА

;

























−=

−1k

V.И.П

1QА

(4.18)

и соответственно

.И.П

−













−=η или

.И.П

−













−=η , (4.19)

где

T ,

V ;

T ,

V − температура и объем газов соответственно в момент

взрыва и конечные.

При взрывных работах коэффициент использования энергии

ВВ значительно ниже, так как вследствие неполноты реакций имеют

место химические потери; часть энергии газов взрыва теряется на на-

грев среды, а часть выносится наружу газами взрыва, прорывающи-

мися из зарядной камеры с повышенными температурой (тепловые

потери) и давлением (механические потери).

Известно, например, что в шахтах, опасных по газу или пыли,

применяют предохранительные ВВ с температурой взрыва

1800 − 2000

С (2073 − 2273

К). При взрыве породы разрушаются и в

призабойное пространство прорываются газы с температурой

400 – 600

С. Пользуясь формулой (4.18), можно определить факти-

ческий коэффициент использования потенциальной энергии ВВ:

2,0

2173

773

2,0













−=













−=η

−

В зависимости от условий взрывания фактический коэффи-

циент использования энергии взрыва колеблется от 0,02 − 0,07 при

взрывах на выброс до 0,15 − 0,25 при взрывах на рыхление.

Работа разрушения породы взрывом может проявляться в

различных формах: интенсивное смятие (перетирание) породы,

непосредственно прилегающей к заряду; возмущение в породе уп-

ругих (ударных) волн; сжатие, пластическая деформация и раз-

рушение породы, не прилегающей непосредственно к заряду; из-

мельчение части породы у свободной поверхности и выброс ее за

пределы воронки взрыва. Все эти формы работы составляют в

сумме полную полезную работу взрыва.

В зависимости от условий взрывания одни формы работы

могут усиливаться, а другие − уменьшаться. Так, например, при

снижении плотности заряжания путем создания воздушной про-

слойки между зарядом и стенками зарядной камеры уменьшается

бризантное действие заряда и увеличивается фугасное − умень-

шаются зоны вытеснения и увеличивается зона трещинообразова-

ний и выброса. В результате порода дробится более равномерно и

средний размер кусков уменьшается.

При необходимости в сильном дробящем действии надо применять воз-

можно большую плотность заряжания и ВВ с максимальной скоростью детона-

ции.

Фугасное действие взрыва, как и общее действие взрыва, очень

мало зависит от скорости детонации и определяется потен-

циальной энергией ВВ.

Полезная работа может быть выражена в механических единицах

энергии

ρVQ4,187KQQ4,187ηΑ

VФVФФ

⋅

′

⋅

′

⋅

, кДж, (4.20)

где 4,187 - механический эквивалент тепла, кДж/ккал;

′

− удельная теплота взрыва, ккал/кг;

− масса заряда ВВ, кг;

− объем заряда, м

;

− плотность ВВ заряда, кг/м

В практике взрывного дела принято оценивать работу взрыва массой за-

ряда ВВ, который необходимо взорвать для получения требуемого эффекта; раз-

рушения определенного объема породы без перемещения или с перемещением

ее на определенное расстояние, дробление определенного объема породы, раз-

рушение определенного сооружения и т. п.

За эталонное ВВ принимают либо прессованный тротил

(

′

=1000 ккал/кг,

эт

ρ = 1500 кг/м

), либо аммонит № 6ЖВ

(

′

=1030 ккал/кг,

эт

ρ = 1000 кг/м

). Масса заряда сферической фор-

мы

эт

4ππ

VρQ == , (4.21)

откуда радиус заряда будет:

эт

4ππ

r == , м, (4.22)

где

эт

ρ − плотность заряда эталонного ВВ, кг/м

Для тротила

эт

ρ = 0,054

Q ;

для аммонита № 6ЖВ

r = 0,062

Q .

Для другого ВВ с иной удельной энергией и иной плотностью

необходимо сделать пересчет на эталонное ВВ по уравнению

этэтV

эт

ρQ

⋅

′

⋅

′

= , (4.23)

где

эт

Q − масса заряда соответственно примененного и эталонного ВВ;

′

эт

′

− удельная энергия (ккал/кг) соответственно примененного и

эталонного ВВ.

Действие взрыва в однородной неограниченной среде будет

одинаково по всем направлениям, а эффект действия в данной точке

прямо пропорционален радиусу заряда и обратно пропорционален

расстоянию R данной точки от центра заряда. Отношение называют

rR/r

(4.24)

приведенным расстоянием (расстоянием, выраженным в радиусах за-

ряда) данной точки от центра заряда, согласно принципу геометриче-

ского подобия, величина напряжений, вызываемых взрывом в поро-

де, обратно пропорциональна величине

4.3 Действие взрыва заряда в горной породе

Заряд − определенное количество ВВ, подготовленное к

взрыву. Заряд называют наружным, если он приложен к поверх-

ности разрушаемого объекта, и внутренним, если он помещен

внутри разрушаемой среды. В последнем случае в подлежащем

разрушению массиве (объекте) создают углубление (шпур, сква-

жину, камеру и др.) в которое помещают заряд. Углубления дела-

ют с таким расчетом, чтобы только часть их была занята зарядом.

Свободную от заряда часть используют для размещения забойки.

Наружные накладные заряды применяют для дробления негаба-

ритных блоков, а внутренние − при разрушении горных пород с

использованием шпуровых или скважинных зарядов, а также при

строительстве каналов, канав, траншей и т.д.

По построению (структуре, внутреннему состоянию) заряды

разделяют на сплошные и рассредоточенные.

Сплошным называют заряд, не разделенный на отдель-

ные части промежутками, или заряды, состоящие из нескольких

примыкающих один к другому патронов ВВ; рассредоточенным

− заряд, отдельные части которого (ярусы) разделены промежут-

ками из пластичных или сыпучих материалов, воды, воздуха и т.д.

Сплошные заряды применяют, как правило при проведении

горных выработок. Использование рассредоточенных зарядов ВВ

с воздушными промежутками является одним из эффективных

способов регулирования степени дробления горных пород на от-

крытых работах.

В зависимости от конфигурации заряды делят на сосредоточенные и уд-

линенные.

Сосредоточенные заряды по форме приближаются к шару, кубу. К ним

относят также заряды, имеющие форму параллелепипеда или цилиндра, если их

протяженность не превышает четырех размеров в поперечнике.

Удлиненные (колонковые) заряды имеют цилиндрическую форму, их

длина более чем в четыре раза превышает поперечный размер.

Если заряды размещают в камерах или «котлах», то их называют камер-

ными или котловыми. При расположении зарядов в шпурах или скважинах их

называют шпуровыми, скважинными или цилиндрическими.

Если при взрыве заряда ВВ в массиве породы действие его ни-

чем не проявится на поверхности и локализуется внутри массива, то

оно называется внутренним действием или камуфлетным, а заряд на-

зывается камуфлетным зарядом. При взрыве такого заряда в горной

породе образуются зоны: вытеснения, раздавливания, разрывов и со-

трясения. Зона раздавливания весьма мала и не имеет четкой грани-

цы. Поэтому целесообразно рассматривать зону раздавливания и раз-

рывов совместно, как одну общую зону разрушения (рис. 4.1). Ино-

гда при определенном соотношении между величиной заряда и рас-

стоянием его от открытой поверхности, образуется еще зона отколов.

Процесс разрушения породы идет следующим образом. В мо-

мент взрыва удар газов взрыва разрушает и вытесняет некоторый

слой породы, прилегающий к заряду, образуя полость − зону вытес-

нения или котел. Раздавленная и вытесненная порода вдавливается в

стенки котла, которые вследствие этого представляют собой слои

раздавленной и уплотненной породы. Возникшая в момент взрыва

ударная волна перемещается радиально в массиве породы за пределы

котла, вызывая смещение частиц породы в радиальном направлении.