книги / Технология и безопасность взрывных работ

•хранить достаточно энергии, чтобы быть автономным на стадии инициирования;

•хранить энергию, необходимую для инициирования рабочего элемента;

•генерировать электрический импульс для инициирования электронного элемента с запрограммированным временем замедления;

•анализировать состояние и обеспечивать безопасность, если это необходимо (например, если соединение между ВМ

идетонатором потеряно);

•осуществлять беспроводное взрывание: одна ВМ используется в режиме ведомой, которая устанавливается близко к месту взрыва в месте, защищенном от возможных повреждений разлетающимися кусками породы. Вторая ВМ используется в режиме ведущей (мастер-режиме) в месте инициирования взрыва, безопасном для оператора. Обе ВМ соединяются друг с другом через радиочастотные модемы.

Основные преимущества:

повышенная безопасность (защита от магнитных полей

иблуждающих токов, статических разрядов),

сильное уменьшение сейсмического воздействия взрыва

ивыбросов в атмосферу,

технологичность,

существенное улучшение качества взрывания,

сокращение времени вынужденного простоя людей и техники.

Основной недостаток электронных СИ – высокая стоимость (до 5 % от всей стоимости взрыва).

191

5. ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Заряд взрывчатых веществ и их классификация

Заряд ВВ – это специальным образом подготовленная к взрыву заданная масса ВВ, размещенная в предназначенной для нее зарядной камере, располагаемой в объекте разрушения согласно проекту или паспорту взрыва.

Заряды классифицируются: 1. По типу условий взрывания:

– камерные – зарядная камера и величина заряда не ограниченыпообъемуимассеВВ(напрактикедо6 тысячтоннвкамере);

– малокамерные или рукава (сечением не более 30×30 см);

– котловые;

– скважинные;

– шпуровые;

– накладные.

2. По строению заряда:

–сосредоточенный – заряд, имеющий форму куба, шара, цилиндра или параллелепипеда с отношением длины к ширине менее 4;

–удлиненный – шпуровой или скважинный заряд, длина которого в 3 раза и более превышает его диаметр;

–сплошной – ВВ в заряде не разделено промежутками

(воздуха, измельченной породы, воды, материалом забойки

ит.п.) на отдельные части;

–рассредоточенный – отдельные части заряда разделены промежутками;

–фигурные – заряды, условно образующие П-, Г-, Т-форму,

идругие заряды сложной формы;

–листовые (плоские) – заряды, отношение длины или ширины которых во много раз превышает толщину (ряд близко расположенныхудлиненныхзарядовилислойВВнаплоскости).

192

3. По положению:

–наружный или накладной – заряд, помещаемый на взрываемый объект (применяют в основном для дробления негабарита, обрушениякозырьковнауступах, воперацияхпометаллообработке;

–внутренний – заряд, помещаемый внутрь взрываемого объекта – шпуры, скважины, камеры (применяют для отбойки минерального сырья, проведения подземных горных выработок, сооружения каналов, траншей и т.д.).

4. По способу взрывания:

–одиночные;

–групповые – взрыв зарядов производится одновременно (мгновенное взрывание) или разновременно (короткозамедленное или замедленное взрывание).

5. По действию на окружающую среду (рис. 5.1):

–заряды камуфлета – действие взрыва заряда не проявляется на поверхности и ограничивается образованием подземной полости за счет уплотнения;

Рис. 5.1. Действие взрыва различных зарядов ВВ:

а– камуфлетного; б – откольного; в – рыхления;

г– выброса

–заряды рыхления – окружающая среда разрушается и перемещается без образования видимой воронки выброса;

193

– заряды выброса – разрушение и выброс раздробленной породы за пределы воронки выброса.

5.2. Общие принципы расчета зарядов взрывчатых веществ

В настоящее время нет единой общепринятой работоспособной теории взрывного разрушения горных пород.

При исследовании процессов разрушения горных пород взрывом и для расчетов параметров взрывных работ используют в основном энергетическую теорию.

Эмпирическим критерием полноценного разрушения породы принят удельный расход взрывчатого вещества – масса ВВ, необходимая для разрушения 1 м3 породы с заданным качеством дробления. Удельный расход ВВ определяет необходимое количество энергии, интенсивность ее ввода в разрушаемый объем

исопротивляемость породы взрывному воздействию.

Взависимости от агрегатного состояния горных пород различают:

I. Теория взрывного разрушения для грунтов – слабосвязан-

ной породы с малой акустической жесткостью А = р · С < 5·106 кг/м2·с(р – плотностьпороды; С– скоростьзвукавпороде).

Быстро возникающее высокое давление производит резкий удар о стенки взрывной камеры (полость в породе с зарядом ВВ). Этот удар встряхивает грунт, разделяет его на мелкие естественные фрагменты (камешки, песчинки), а стремительно расширяющиеся взрывные газы выбрасывают дезинтегрированный грунт на поверхность земли с образованием воронки выброса.

Энергия ВВ расходуется на подъем выброшенной массы на определенную высоту. При этом работа взрыва по дезинтеграции грунта не учитывается.

194

Разрушение породы производит распространяющаяся в массиве ударная волна сжатия, возникающая вследствие сильного резкого удара взрывных газов о стенки зарядной камеры.

Взрывные газы играют вспомогательную роль – расширяют трещиныивыбрасываютраздробленнуюгорнуюмассу измассива.

III. Теория взрывного разрушения для пород средней крепо-

сти (трещиноватых) и промежуточной акустической жесткостью. Вразрушениипородыучаствуют игазы, иударнаяволна.

Каждая теория имеет свой математический аппарат для расчета параметров взрыва.

I. При взрыве сосредоточенного заряда в грунтовом массиве энергия взрыва расходуется на сближение твердых частиц за счет уменьшения объема пор, при этом разогрев воздуха в ударной волне приводит к повышению температуры твердых частиц (затрачивается ~90 % энергии ВВ). Разрушение грунта происходит за счет запаса кинетической энергии, приобретенной средой при расширении продуктов взрыва.

Вокруг заряда образуется расширяющаяся сферическая полость, заполненная газами взрыва, которая при приближении к открытой поверхности приобретает грушевидную форму, большая ось которой совпадает с линией наименьшего сопротивления (ЛНС, или W – кратчайшее расстояние от центра заряда до свободной поверхности) (рис. 5.2).

Основными геометрическими параметрами воронки являются глубина заложения заряда W, радиус раствора воронки r (рис. 5.3). Форма воронки взрыва сосредоточенного заряда в однородном массиве с одной открытой поверхностью близка к прямому конусу с вершиной в центре заряда (рис. 5.4).

Отношение радиуса раствора воронки к ЛНС называется

показателем действия взрыва: n = r / W.

В зависимости от величины показателя действия взрыва n различают:

•n = 1 – нормальный выброс;

•n < 1 – уменьшенный выброс;

195

•n > 1 – усиленный выброс;

•n ≤ 0,7 – заряд рыхления, воронка не образуется;

•n < 0,2 – заряд камуфлета.

Рис. 5.2. Последовательность разрушения взрывом грунтового массива: 1–7 – фазы движения грунта

Рис. 5.3. Элементы воронки взрыва: W – глубина заложения заряда; r – радиус раствора воронки; 2α – угол раствора воронки

Принципы расчета разрушающего действия зарядов базируются на обобщенном законе геометрического подобия при взрыве: на одинаковых относительных безразмерных расстояниях от центра взрыва (r' = r/ro) физические процессы протекают одинаково для взрывов разного масштаба.

Здесь r – расстояние от центра взрыва, м; ro – радиус заряда ВВ, см.

196

V = 1/3 · π · r2 · W.

Показатель действия взрыва n = 1, следовательно, r = W. Приняв π ≈ 3, получим V ≈ W 3. Поскольку величина заряда ВВ находится в прямой зависимости от массы дробимой в конусе породы, то массу заряда QН (кг) можно рассчитать по формуле

QН = qн · W3,

где qн – удельный расход ВВ для воронки нормального выброса, кг/м3.

При увеличении массы заряда Q показатель действия взрыва n увеличивается, а при уменьшении – уменьшается, т.е. величина заряда является функцией f(n). Тогда масса заряда Q (кг) при любом выбросе определится по формуле

Q = f(n) · qн · W 3.

Наиболее широко для определения величины f(n) применяется формула, предложенная в 1871 г. русским военным инженером М. М. Боресковым:

f(n) = 0,4 + 0,6n.

Формула дает удовлетворительные результаты для зарядов усиленного выброса, а для зарядов уменьшенного выброса их величины занижаются.

II.В скальной монолитной породе скорость детонации

ВВзначительно выше скорости деформации породы, поэтому поверхность породы воспринимает действие взрыва одновременно по всей площади соприкосновения заряда с массивом

(рис. 5.5).

На поверхности раздела «заряд – порода» детонационная волна переходит в ударную с высокой амплитудой, вызывающей сильное измельчение породы, находящейся в условиях всестороннего неравномерного сжатия. По мере удаления от заряда амплитуда волны резко снижается и на расстоянии 5–6 радиусов

198

заряда превращается в упругую волну напряжения, превышающую прочность породы на раздавливание. В этой зоне, называемой зоной сжатия (измельчения), происходит интенсивное разрушение массива.

Рис. 5.5. Процесс разрушения скальной породы вокруг заряда: а – зона сжатия (измельчения);

б – зона разрыхления (трещинообразования)

По мере удаления от заряда напряжения в волне сжатия на расстоянии 10–12 радиусов заряда становятся меньше сопротивления породы раздавливанию. Под действием прямой волны напряжений появляются радиальные трещины, в результате порода распадается на отдельные куски. Эту зону называют зоной

разрыхления (трещинообразования).

В слоях, более удаленных от заряда, ударная волна вырождается в упругую волну. Связь между частицами среды не нарушается, разрушение породы прямым действием волны за пределами этого расстояния не происходит. Эта зона называется

зоной сотрясения.

При взрыве заряда вблизи открытой поверхности частицы среды под влиянием волны напряжений, достигшей этой поверхности, начинают свободно перемещаться в ее сторону, вовлекая в этот процесс все более отдаленные участки среды.

199

Волна напряжений, дойдя до поверхности, отражается, и в массиве возникают растягивающие напряжения. При этом волна растяжения, распространяющаяся в массив, представляет собой фронт, который распространялся бы от мнимого заряда ВВ такой же массы, но находящегося над поверхностью на расстоянии, равном ЛНС реального (взорванного) заряда (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схема образования у открытой поверхности отраженной волны: 1 – реальный заряд ВВ; 2 – мнимый заряд ВВ; 3, 4 – прямые волны сжатия; 5 – отраженная волна

Горная порода имеет в 10–30 раз меньшее сопротивление растягивающим нагрузкам по сравнению с сжимающими, поэтому у открытой поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием трещин и формированием откольной воронки.

Образование дополнительных открытых поверхностей обеспечивает возникновение в массиве дополнительных отраженных волн от последующих взрывов, что увеличивает эффект разрушения, ослабляет массив и облегчает его окончательное разрушение давлением газов взрыва.

С увеличением числа открытых поверхностей у взрываемого заряда объем разрушения увеличивается пропорционально их числу (рис. 5.7).

200