Наукові основи руйнування гірських порід вибухом з урахуванням фізичних процесів в порожнині вибуху і масиві

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

УДК 622.236.4.001.1

Наукові основи руйнування гірських порід вибухом з урахуванням фізичних процесів в порожнині вибуху і масиві

Спеціальність: 05.15.09 - «Геотехнічна і гірнича механіка»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КУРІННИЙ ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ

Дніпропетровськ -2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в ДВНЗ «Національний гірничий університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (м. Дніпропетровськ).

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Петренко Володимир Дмитрович,

завідувач кафедри тунелів, основ та фундаментів

Дніпропетровського національного університету

залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна

Міністерства транспорту та зв'язку України

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор

Соболєв Валерій Вікторович,

професор кафедри будівництва і геомеханіки

ДВНЗ «Національний гірничий університет»

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

(м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, професор

Мец Юрій Семенович,

завідувач кафедри металознавства

Криворізького інституту Кременчуцького

університету економіки, інформаційної

технології та управління Міністерства освіти і науки,

молоді та спорту України

доктор технічних наук, доцент

Чебенко Валерій Миколайович,

професор кафедри безпеки життєдіяльності

Кременчуцького державного політехнічного

університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Захист відбудеться 5 липня 2011 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 у ДВНЗ «Національний гірничий університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ «Національний гірничий університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Автореферат розісланий 3 червня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

порода гірський робота буро підривний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Дотепер основна частина корисних копалин видобувається з широким використанням вибухових робіт. Зростання об'ємів вживання хімічних вибухових речовин (ВР) в гірничодобувній промисловості і будівництві особливо гостро ставить проблему підвищення ефективності їх використання на руйнування гірських порід.

В Україні на руйнування гірських порід витрачається біля 20% виробленої енергії. Тільки чисельність кар'єрів, що добувають будматеріали, становить 258. Щорічно руйнується і подрібнюється понад 100 млн. т руди. При цьому коефіцієнт використання енергії вибуху не перевищує 5-6%. Відбувається екологічне забруднення навколишнього середовища. При масових вибухах присутній достатньо великий відсоток негабаритних фракцій, а висока міцність шматків гірської маси призводить при повторному дробленні до великої витрати електроенергії і зносу дробарок. При дробленні граніту сортність щебеню недостатньо висока, а при здобичі дорогоцінної мінеральної сировини спостерігається великий відсоток браку. Підвищення інтенсивності дроблення гірських порід енергією вибуху пов'язано із збільшенням питомої витрати ВР, що, як правило, веде до зростання витрат енергії вибухової речовини на отримання одиниці готової продукції. В свою чергу, підвищення енергонасиченості масиву на кар'єрах нерудних будівельних матеріалів призводить до небажаного збільшення виходу переподрібненої гірської маси, знеміцненню і розльоту шматків породи і посиленню сейсмічного ефекту. Тому необхідне створення різноманітних методів і способів вибухової дії на масив, які дозволяють без збільшення енерговитрат досягати необхідного ступеня дроблення порід вибухом. На цьому ґрунтується розробка нових методів і способів вибухового дроблення для підготовки гірської маси, яка відповідає певним технологічним вимогам для різних підприємств. До методів виконання вибухових робіт при підготовці гірської маси ставляться жорсткі вимоги, задоволення яких можливе лише на основі теорії дії вибуху і наукових експериментів, які дозволять підвищити ефективність вибухових робіт шляхом розробки інженерних методів управління енергією вибуху і підвищення його корисної роботи, в тому числі і при проведенні підземних виробок гірничодобувних підприємств.

Таким чином, цілеспрямоване керування енергією вибуху, підвищення к.к.д. вибуху, ефективності руйнування і дроблення гірських порід на основі розробки наукових основ керування руйнуванням і знеміцненням гірських порід вибухом шляхом встановлення закономірностей протікання фізичних і газодинамічних процесів в зарядній порожнині свердловинного заряду при вибусі вибухових речовин і в масиві гірських порід навколо цієї порожнини, а також розкриття механізму вибухового руйнування гірських порід є актуальною науково-технічною проблемою, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими проблемами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до науково-технічних програм пріоритетного розвитку науки і техніки та держбюджетних тем фундаментального напряму "Фізико-технічні основи методів і способів управління руйнуванням гірських порід з урахуванням умов їх вибухового навантаження" (№ держреєстрації 0107U001267), "Наукові основи комплексного моніторингу геотехнічних систем з урахуванням їх кластерно-ієрархічної структури для підвищення безпеки і ефективності гірничодобувних робіт" (№ держреєстрації 0107U001314); а також тем, передбачених Постановою ДКНТ України від 20.03.93 і присвячених раціональному використанню природних ресурсів і охороні навколишнього середовища.

Метою роботи є підвищення знеміцнюючої дії вибуху та якості дроблення гірських порід, а також розкриття механізму і встановлення закономірностей руйнування керованим вибухом гірських порід з неоднорідною структурою з урахуванням фізичних процесів, що відбуваються в зарядній порожнині і масиві.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і виконані наступні основні задачі досліджень:

1. Вивчення процесів в гірських породах при розповсюдженні ударних хвиль.

2. Дослідження газодинамічних і термодинамічних процесів, що відбуваються при детонації зарядів вибухових речовин.

3. Вивчення особливостей механізму знеміцнення і руйнування гірських порід зарядами ВР різних конструкцій.

4. Обґрунтування детонаційних характеристик вибухових речовин, що більш ефективно руйнують гірську породу

5. Обґрунтування раціональних параметрів буропідривних робіт для масивів гірських порід різної міцності і блоковості.

6. Дослідження можливості підвищення знеміцнюючої дії вибуху і якості дроблення гірських порід в промислових умовах.

Ідея роботи полягає в комплексному врахуванні газодинамічних і термодинамічних процесів, що протікають в зарядній порожнині, фізичних процесів, які відбуваються в гірській породі при розповсюдженні в ній ударних хвиль, а також нестаціонарності і неоднорідності виникаючого поля напружень і механізму руйнування гірських порід вибухом.

Об'єкт дослідження - газо- і термодинамічні процеси, що протікають в зарядній порожнині вибуху, і фізичні процеси, що відбуваються в породному масиві при вибусі ВР.

Предмет дослідження - методи і засоби підвищення ефективності знеміцнення і дроблення гірських порід.

Методи досліджень. Методологічну основу вирішення поставлених задач досліджень складає комплексний підхід із залученням: методів аналізу і узагальнення науково-технічних досягнень і літературних джерел з тематики досліджень, механіки гірських порід, газової і термодинаміки, механіки суцільних середовищ, теорії пружності, механіки руйнування, а також натурних експериментальних досліджень.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Мінімальний тиск, необхідний для виникнення ударної хвилі в породі, прямо пропорційний густині породи і квадрату швидкості хвилі напружень в ній, що дозволяє цілеспрямовано керувати процесом руйнування гірських порід.

2. Ефективне знеміцнення гірських порід відбувається в динамічному полі напружень, а в квазістатичному полі знеміцнення можливе тільки при нерівнокомпонентному тривісному стисненні; мінімальний розмір знеміцненних елементів прямо пропорційний модулю градієнта напружень і величині їх максимальних значень, що дозволяє задавати параметри поля напружень шляхом застосування найбільш ефективних конструкцій зарядів.

3. Максимальний тиск в порожнині вибуху повинен бути, залежно від типу ВР і властивостей гірських порід, в 35 разів менше, а час розкладання вибухової речовини - на три порядки більше, ніж у сучасних ВР, що дозволить значно зменшити зону зминання порід.

4. Швидкість детонації ВР при вибуховому дробленні монолітних і слабкотріщинуватих порід повинна бути менше швидкості хвиль напружень в породі, при цьому в залежності від її міцності слід застосовувати комбіновані заряди з різними проміжками; при руйнуванні ж сильнотріщинуватих порід і вибухах на викид заряди не повинні містити проміжки, а швидкість детонації повинна бути більше за швидкість хвилі напружень, що дозволяє більш ефективно руйнувати та подрібнювати породу.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На підставі вивчення фізичних процесів, що відбуваються в гірських породах при розповсюдженні циліндричних ударних хвиль, вперше встановлено, що половина енергії продуктів вибуху йде на утворення ударної хвилі. Визначено енергію продуктів вибуху, що витрачається на генерацію циліндричної ударної хвилі, проведено оцінку тиску, необхідного для ії розповсюдження.

2. Вперше виконано оцінку параметрів ударних хвиль в породі при вибусі свердловинних зарядів ВР, яка дозволила встановити, що, вибираючи відповідні розміри часток і термодинамічні параметри речовини, що додається у ВР, можна не тільки змінювати максимальний тиск в порожнині вибуху, але і керувати ним уздовж твірної свердловини. Добавки інертної речовини у ВР можуть перешкоджати виникненню ударних хвиль в породах, зменшуючи енергетичні втрати при вибусі вибухових речовин.

3. Вперше отримано рівняння для розрахунку температури продуктів вибуху при їх стиску у відбитих від частинок ударних хвилях, застосовуючи яке сумісно з одержаними рівняннями адіабати та стану можна при відомих термодинамічних параметрах речовини домішки і залежності, що характеризує зміну тиску в порожнині вибуху від часу, визначити масову частку і фракційний склад домішки.

4. Вперше встановлено, що заміна порошку алюмінію на пудру в геліксі 650 дозволяє збільшити тиск у порожнині вибуху на 15-20% за рахунок того, що в цьому разі при окисненні алюмінію виділяється більше енергії. Показано, що хоча тривалість хвильових процесів, що протікають при вибусі гелексу 650, приблизно така ж, як і при вибусі амоніту, але оскільки густина гелексу 650 на 35-45 % більше, то і тиск продуктів вибуху в кумулятивному струмені на 35-45% вище, ніж тиск продуктів вибуху при вживанні амоніту, вживання гелексу 650 призводить до більш ефективного дроблення негабариту.

5. При дослідженні механізму детонації емульсійних вибухових речовин з добавками мікросфер вперше встановлено, що порожисті кулі служать достатньо хорошими сенсибілізаторами емульсійних вибухових речовин. При кількості введених добавок, що не перевищує 5 % (k 0,05), втрати енергії продуктів детонації на добавках незначні.

6. Збільшити ширину зони хімічних реакцій, зменшити максимальний тиск в порожнині вибуху і частково стабілізувати тиск продуктів вибуху (ПВ) на рівні максимального можна, використовуючи або два типи вибухових речовин, або вводячи добавки у ВР, які повинні відбирати енергію у ПВ до поверхні Чепмена-Жуге і віддавати чи виділяти енергію за нею. Окрім цього, частину теплової енергії ПВ вони перетворять в пружну. Як добавки використовують речовини, які за поверхнею Чепмена-Жуге вступають в екзотермічні реакції. Вельми перспективними є горючі речовини, що не детонують в порожнині вибуху.

7. Вперше отримано залежність процесу руйнування гірського масиву вибухом від параметрів свердловинного заряду. Вводячи у ВР добавки, критичні параметри і маса яких обираються, виходячи з міцності і тріщинуватості породи, можна зменшити зону подрібнення і збільшити тим самим «поршневу» дію вибуху. В цьому випадку коефіцієнт корисної дії вибуху істотно зросте.

8. Запропоновано невідомий раніше механізм руйнування гірських порід в ударній хвилі і одержано співвідношення, що дозволяють задавати параметри ударної хвилі таким чином, щоб отримати необхідні розміри часток, на які необхідно поруйнувати породу. Виконано оцінку витрат на чисте руйнування породи в полі напружень свердловинного заряду залежно від відстані до свердловини.

9. Вперше встановлено, що при вибусі на викид тиск в порожнині вибуху повинен перші 5-10 мс не убувати, а зростати пропорційно , де r_c, r - початковий і поточний радіуси свердловини, відповідно; n - показник адіабати продуктів вибуху.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень методів теорії газової і термодинаміки, механіки суцільних середовищ, теорії пружності, механіки руйнування, а також апробованих експериментальних досліджень і хорошою їх збіжністю з результатами теоретичних досліджень (помилка не перевищує 20 %).

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей газодинамічних і термодинамічних процесів, що відбуваються в зарядній порожнині свердловинних зарядів, закономірностей фізичних процесів, що відбуваються в породі при вибусі вибухових речовин, врахуванні нестаціонарності і неоднорідності виникаючого при цьому поля напружень, розкритті механізму вибухового руйнування гірських порід з неоднорідною структурою.

Практичне значення роботи полягає в розробці:

- методики розрахунку параметрів свердловинних зарядів і оцінки раціональних параметрів буропідривних робіт для масивів гірських порід різної міцності;

- критеріїв вибору ВР і конструкції заряду для створення оптимального імпульсу навантаження породного масиву різної блоковості і міцності, а також способу керування величиною і формою імпульсу вибуху, що дозволяє перерозподіляти енергію вибуху за висотою колонки заряду шляхом розосередження суцільних і комбінованих зарядів;

- технології масових вибухів із застосуванням зарядів з повітряними, водними та іншими інертними проміжками, що дозволяє зменшити зону переподрібнення і підвищити к.к.д. вибуху;

- конструкції шпурових зарядів, які дозволяють здійснювати контурний вибух, що формує потрібну поверхню виробки, та підвищувати її стійкість. При цьому заряди для контурного вибуху повинні детонувати з великою швидкістю, а між бризантною ВР і породою повинен бути присутній шар повітря або іншого інертного матеріалу, в якості якого для міцних порід слід використовувати ВР, що детонує в неідеальному режимі - режимі недостиснутої хвилі.

Реалізація розробок і рекомендацій роботи.

Підготовлено і видано авторську монографію "Фізичні аспекти руйнування гірських порід вибухом", яка призначена для наукових, інженерно-технічних працівників, аспірантів і студентів, що вивчають фізичні процеси в різних середовищах, а також спеціальностей напряму «Гірництво».

Розроблену автором методику розрахунку параметрів свердловинних зарядів і оцінки раціональних параметрів буропідривних робіт для порід різної міцності затверджено в НДІОМШБ і впроваджено у ВАТ "НДІ гірничої механіки їм. Федорова" і на ДХК "Спецшахтобуріння". Там же впроваджено і інші результати, одержані автором, які мають практичну цінність.

Економічний ефект від впровадження розробок склав 190,2 тис. грн. у рік.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні проблеми, мети, ідеї і задач дослідження, наукових положень, висновків і рекомендацій, а також теоретичному рішенні поставлених задач; в проведенні експериментальних досліджень, обробці і аналізі одержаних результатів і розробці методик. Текст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи докладалися на: Міжнародній науково-практичній конференції «Форум гірників» (Дніпропетровськ, НГУ, 1998 р.), першій міжнародній конференції «Наука і освіта - 98» (Дніпропетровськ, ДГУ, 1998 р.), другій Міжнародній науково-практичної конференції «Динаміка наукових досліджень» (Дніпропетровськ, ДГУ, 2003 р.), першій Міжнародній науково-практичній конференції «Науковий потенціал світу - 2004» (Дніпропетровськ, ДГУ, 2004 р.), XVI, XVII, XVIII, XIX Міжнародних наукових школах ім. академіка С.А. Хрістіановіча «Деформація і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках» (Крим, Алушта, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Міжнародних науково-практичних конференціях «Форум гірників» (Дніпропетровськ, НГУ, 2009, 2010); Міжнародному семінарі «Високоенергетична обробка матеріалів» (Дніпропетровськ, НГУ, 2009).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 44 наукових працях, з яких 25 у наукових фахових виданнях, у тому числі в одній авторській монографії, а також у 5 доповідях, 9 тезах доповідей на міжнародних конференціях; решту робіт опубліковано в інших наукових виданнях; 14 робіт опубліковано в єдиному авторстві.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел із 189 найменувань на 21 сторінці та 4 додатків на 8 сторінках. Містить 267 сторінок машинописного тексту, у тому числі 32 рисунки (15 на окремих сторінках) і 12 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 297 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі виконано аналіз теоретичних та експериментальних досліджень впливу вибухової дії на міцністні властивості й руйнування гірських порід.

В результаті аналізу робіт, присвячених проблемі вибухового руйнування гірських порід і геомеханічних процесів, що протікають при цьому в масиві, встановлено, що великий внесок в розвитку теоретичних досліджень внесли К.Е. Губкін, Е.І. Єфремов, М.В. Касьянов, В.Н. Кузнєцов, В.В. Ржевський, Р.А.Родін, В.М. Родіонов, М.А. Садовський, О.О. Сдвижкова, Б.М. Усаченко, О.М Шашенко, Е.І. Шемякін. Багато математичних моделей процесів вибуху досить добре апробовано і дають хороший збіг з експериментами. Наприклад, модель нев'язкої рідини, що не стискається, добре описує явище кумуляції. Руйнування міцних твердих тіл доцільно описувати, використовуючи методи теорії пружності, а для ґрунтів більш переважною є модель пружно-пластичного або пластичного тіла. У зв'язку з тим, що математичний апарат механіки суцільних однорідних середовищ виявився не дуже прийнятним для опису процесів деформації і руйнування структурно-неоднорідних твердих середовищ при вибуховій дії, останнім часом розроблено нові нетрадиційні прийоми і моделі, що описують ці процеси.

Ієрархічність структури гірських порід та їх поведінка при руйнуванні обумовлює застосування в якості математичних моделей, що описують утворення тріщин, марківські процеси. Є.І. Шемякін справедливо вважає, що вибір моделі вибухового руйнування повинен бути нерозривно пов'язаний з метою прикладних задач.

Автоколивальна модель передруйнуючого стану твердих тіл, що запропонована В.Н. Бовенко, дозволяє описувати їх руйнування на мікрорівні з урахуванням електромагнітного випромінювання, що спостерігається при вибуховому руйнуванні. Ідеєю цієї моделі є дискретна і хвильова природа фізичних процесів, що протікають у твердих тілах.

Вельми цікаве для опису процесів руйнування використання моделі Дебая. Згідно цієї моделі руйнування наступає в результаті авторезонансу, що дозволяє пояснити руйнування мінералів, які знаходяться за межами зони прямої руйнуючої дії вибуху, а також інтенсивне подрібнення мінералів з високою щільністю дефектів.

Вибух руйнує, знеміцнює і в певному значенні зміцнює гірську породу. Згідно сучасним уявленням, основними руйнуючими чинниками є: ударні хвилі, хвилі напружень, квазістатичне поле напружень і газоподібні продукти детонації. Вивченню процесів руйнування гірських порід при вибусі присвячені роботи Є.Г. Баранова, Л.І. Барона, Ф.А. Баума, В.В. Бойко, В.А. Боровікова, В.Д. Воробйова, В.В. Воробйова, Г.П. Демідюка, Е.І. Єфремова, В.М. Коміра, М.В. Крівцова, Б.Н. Кутузова, Ф.І. Кучерявого, Ю.С. Меца, В.Н. Мосинця, В.Д. Петренка, В.В. Соболєва, К.Н. Ткачука, П.І. Федоренка, А.Н. Ханукаєва, В.М. Чебенко, А.В. Черная, Д.Е. Грейді, М.Е. Кіппа, Н.К. Куттера та ін.

В результаті виконаного аналізу робіт, присвячених теоретичним і експериментальним дослідженням вибухового дроблення і знеміцнення гірських порід, встановлено, що до теперішнього часу недостатньо приділялося уваги вивченню газодинамічних і термодинамічних процесів, які протікають в порожнині вибуху, і фізичних процесів, що відбуваються в гірських породах при вибусі.

Вирішенню першої поставленої задачі присвячений другий розділ, в якому наведені отримані автором результати по вивченню процесів в гірських породах, що протікають при розповсюдженні ударних хвиль.

При вивченні розповсюдження ударних хвиль в породі отримано співвідношення, які дозволяють в першому наближенні оцінити практично всі параметри, що характеризують процес розповсюдження ударної хвилі в породі, а саме: швидкість ударної хвилі D

, (1)

де rn, un - відповідно радіус порожнини вибуху і швидкість породи біля її стінок у момент часу t; коефіцієнт шпаруватості породи; r - відстань до осі свердловини; u - масова швидкість породи на відстані r від осі свердловини; pн - початковий тиск продуктів вибуху в свердловині; 0 - густина породи; r0 - радіус свердловини; n - показник адіабати продуктів вибуху; t - час;

масову швидкість породи u за фронтом ударної хвилі

; (2)

кінетичну енергію одиниці маси породи за фронтом ударної хвилі

. (3)

Залежність відносного радіусу фронту ударної хвилі від часу наведено на рис. 1.

порода гірський робота буропідривний



а)

б)

Рис. 1. Залежність відносного радіусу фронту ударної хвилі

від часу для свердловин радіусів r₀:

а - r0=0,125, б - r0=0,05

На підставі досліджень фізичних процесів, що протікають в гірських породах, які містять повітря в шпаровому просторі, при розповсюдженні ударних хвиль (УХ) встановлено, що в процесі генерації УХ половина роботи продуктів детонації (ПД) йде на утворення УХ, а решта - на нагрівання і роздавлювання порід. Тобто, параметри ударної хвилі не залежать від поглинаючих властивостей породи.

Проведена оцінка тиску pnp, необхідного для збудження УХ в шпаристій породі

, (4)

де Cp - швидкість хвилі напружень в породі.

Визначено залежність швидкості стінок порожнини (швидкість породи біля стінки порожнини) un від часу

. (5)

Одержано залежність радіусу порожнини вибуху rn циліндричного заряду в породі, що містить повітря в шпаровому просторі, від часу

. (6)

Встановлено, що при розповсюдженні УХ в породі хвиля зазнає протитиск, який приблизно дорівнює динамічній межі міцності породи при нерівнокомпонентному тривісному стисненні.

Розглянуто процес формування УХ в породі, ударну адіабату якої задано у формі Тета. Цей процес розглядається як послідовність елементарних хвиль напружень, таких, що кожна наступна хвиля рухається із швидкістю, більшою, ніж попередня.

Умовою формування УХ було утворення ступеневого профілю хвилі. В результаті одержана формула, яка дозволяє визначити тиск ps, необхідний для збудження ударної хвилі

, (7)

де k - швидкість зростання тиску на породу; ts - час формування УХ; n - номер елементарної хвилі напружень; t - проміжок часу між збудженням двох послідовних хвиль напружень; m, А - коефіцієнти в рівнянні ударної стисливості.

При проведенні чисельних розрахунків виявилося, що k(n-1)t/A на декілька порядків менше одиниці, тобто двочлен в знаменнику можна розкласти в ряд, узявши два перших члена. n >> 1, тому тиск, необхідний для утворення ударної хвилі в речовині, можна записати у вигляді:

. (8)

За формулою (7) чисельно визначався тиск p_s для різних порід при швидкостях навантаження k = 10¹⁴ 10¹⁷ Па/с і t = 10^-910^-17 c.

При тиску p > p_s генерується плоска пряма стаціонарна ударна хвиля. Коли тиск, що викликає хвилю, зменшується, тиск у фронті УХ стає меншим p_s. Дійсно, заряди, що вибухають в лабораторії, мають невеликі розміри. Тиск продуктів вибуху зростає протягом часу ~ 0,1 мкс, а потім починає зменшуватися за рахунок хвиль розрідження і розвантаження. Ударна хвиля швидко згасає. При зниженні тиску в порожнині вибуху ударна хвиля якийсь час продовжує розповсюджуватися за рахунок кінетичної енергії речовини за її фронтом. Коли тиск у фронті УХ досягає динамічної межі міцності речовини, вона вироджується в хвилю напружень. Оскільки параметри ударної хвилі визначаються не в точці, а на проміжку, то середній тиск, одержаний експериментально, завжди менше p_s..

Відомі експериментальні дані, що ударна хвиля в граніті утворюється при тиску р > 3,3 ГПа, а теоретичне значення p_s = 3,76 ГПа. Похибка в цьому випадку складає 12 %.

Проведено аналіз процесів, що протікають при модельних і промислових вибухах свердловинних зарядів, який дозволяє зробити висновок, що через відсутність їх фізичної подібності на моделях можна отримати тільки якісні результати, а кількісний перерахунок експериментальних результатів, одержаних на моделях, на результати, які можуть мати місце в промислових умовах, не завжди правомірний (табл. 1).

Таблиця 1

Порівняльний аналіз процесів, що протікають

при вибусі свердловинного та його моделюючого зарядів

Свердловинний заряд	Заряд моделі
1. Ударна хвиля виникає не завжди і слабка	1. Завжди виникає ударна хвиля
2. Швидкість детонації ВР, як правило, менше швидкості хвилі напружень. Вектор напружень в породі виконує біля свердловини поворот на кут	2. Швидкість детонації завжди більше швидкості хвилі напружень. На початковій стадії вибуху хвильові процеси більш інтенсивні, ніж в свердловині, а потім менш інтенсивні
3. Поле напружень має осьову симетрію	3. Поле напружень, в основному, має сферичну симетрію
4. Відношення маси ВР до маси забійки 3:1	4. Відношення маси ВР до маси забійки 1:6
5. Відношення розмірів зони дроблення до швидкості хвиль напружень 10-3 с	5. Відношення розмірів моделі до швидкості хвиль напружень 10-5 с. Велика роль відбитих від вільних поверхонь хвиль напружень
6. Ударна хвиля в забійці згасає	6. Забійка, в основному, вилітає під дією ударної хвилі
7. Максимальний модуль градієнта напружень в породі 109 Па/м	7. Максимальний модуль градієнта напружень в матеріалі моделі 1013 Па/м
8. Порода тріщинувата, часто містить повітря або воду	8. Ефект вибуху залежить від товщини оболонки, матеріалу і повітряного проміжку між оболонкою і шпуром

Третій розділ присвячений дослідженню термодинамічних та газодинамічних процесів, що відбуваються при детонації зарядів вибухових речовин.

Досліджено газодинамічні процеси, що протікають при вибусі свердловинного заряду з повітряною порожниною (проміжком). Розглянуті ударна хвиля в проміжку, стаціонарна і центрована хвилі розрідження, відбита УХ і взаємодія центрованої хвилі розрідження з відбитою ударною хвилею. Визначено імпульс вибуху, що діє на бічну поверхню повітряної порожнини. На підставі вивчених процесів, що протікають в порожнині вибуху свердловинних зарядів з повітряною порожниною, встановлено, що за час, протягом якого, в основному, відбувається знеміцнення породи в полі даного заряду, повітряний проміжок випромінює на один-два порядки менше енергії, ніж таких же розмірів частина свердловини з ВР. Тиск продуктів детонації в повітряному проміжку в цьому випадку на один-два порядки менше, ніж у ВР.

Виконані дослідження дозволяють зробити висновок, що в породі поблизу повітряного проміжку діють значні зсувні і розтягуючи напруження, що призводить до ефективного дроблення і знеміцнення породи біля проміжку. Розташування повітряного проміжку біля лінії підошви уступу дозволяє значно поліпшити її опрацьовування. Повітряний проміжок в перебурі істотно знижує сейсмонебезпечність вибуху і зберігає в природному стані нижчерозташовані породи.

Дослідження газодинамічних процесів у свердловинному заряді з проміжком з пористого низькощільного матеріалу між зарядом і забійкою (рис. 2) дозволило встановити, що, завдяки наявності проміжку, створюються умови, при яких УХ в породі переганяє УХ в забійці. При цьому нижня частина забійки обтискується хвилею розвантаження від УХ в породі, а це призводить до часткового замикання порожнини вибуху.

а)	б)

Рис. 2. Свердловинний заряд з низькощільним проміжком біля забійки:

а) - свердловинний заряд з проміжком; б) - картина хвильових фронтів

при вибусі заряду з проміжком у забійки;

1 - забійка; 2 - проміжок; 3 - ВР; 4 - продукти вибуху;

5 - ударна хвиля в проміжку; 6 - фронт хвилі напружень;

7 - фронт хвилі розвантаження; 8 - фронт хвилі стиснення в забійці

При вибусі бризантних ВР тиск у фронті детонаційної хвилі за приблизно 2 мкс зростає до тиску приблизно на порядок більше межі міцності породи. Зсув породи за відсутності УХ починається лише через 12 мс з моменту проходження детонаційної хвилі (він дорівнює подвоєному часу проходження хвилі напруження від заряду до вільної поверхні). Весь цей час порода роздавлюється і переподрібнюється. Для суттєвого зменшення зони роздавлювання тиск в порожнині вибуху повинен зростати не за 2 мкс, а приблизно за одну мілісекунду (рис. 3). Цього можна добитися, вводячи у ВР добавки. На основі вивчення термодинамічних процесів, що протікають при детонації вибухової речовини з інертними добавками, показано, як за допомогою добавок можна знизити максимальний тиск в порожнині вибуху до необхідного і на 23 порядки збільшити час хімічних реакцій, тим самим керувати енергією ВР в процесі вибуху.

Рис. 3. Залежність тиску продуктів вибуху від часу в перетині свердловини: 1 - штатна ВР; 2 - ВР, що пропонується

При дослідженні газодинамічних процесів, що протікають в зарядній порожнині при детонації комбінованих зарядів ВР, які складаються з переміжно розташованих ВР і розрізняються за потужністю, встановлено, що перші мілісекунди, починаючи з моменту ініціації свердловинного заряду, хвильові процеси в зарядах характеризуються значною складністю та інтенсивністю і є джерелом сильно неоднорідного нестаціонарного поля напружень в породі. В цьому випадку заряд за всією довжиною вибухає каскадно, забезпечуючи певну послідовність імпульсів протягом проміжку часу, значно більшого, ніж при вибусі однорідних ВР.

Вивчено термодинамічні і газодинамічні процеси, що протікають при вибусі накладного заряду з гелекса 650. Встановлено, що якщо у ВР замінити частинки алюмінію розміром 100 мкм на частинки розміром 1020 мкм, тиск в порожнині вибуху підвищується на 35-45 %, а оскільки густина гелекса на 35-45 % більше густини, наприклад, амоніту, то гелекс 650 буде приблизно в два рази більш ефективний при руйнуванні негабариту, ніж амоніт.

При дослідженні механізму детонації емульсійних вибухових речовин з домішками мікросфер встановлено, що порожнисті кулі є достатньо хорошими сенсибілізаторами емульсійних вибухових речовин. При кількості введених домішок, що не перевищує 5%, втрати енергії продуктів детонації на домішках незначні.

При дослідженні процесів, що відбуваються в порожнині вибуху вибухової речовини, отримано рівняння адіабати та стану для продуктів вибуху з домішками

(9)

де p - тиск продуктів вибуху (ПВ) при температурі Т; густина ПВ; _д - маси одиниці об'єму вибухових речовин; V - об'єм моля ПВ; V₀ - сумарний об'єм домішок і ефективного власного об'єму молекул в одиниці об'єму ПВ.

При стиску продуктів вибуху у відбитої від частинок ударної хвилі, температура продуктів вибуху зростає і дорівнює

, (10)

де Tн - температура ПВ на хімпіці; k - показник адіабати.

Зміна тиску в порожнині вибуху в цьому разі змінюється таким чином:

, (11)

де T0, Tkp, Tпл - відповідно початкова температура, критична і температура плавлення домішка; Сжд, Сгд - питома теплоємність домішка в рідкому і газоподібному стані; Vд - об'їм речовини домішка.

При відомих термодинамічних параметрах домішок, застосовуючи отримані рівняння адіабати та стану сумісно із залежностями (10) та (11), можна визначити масову частку і фракційний склад домішка.

Розглянуто хвильові процеси при вибусі накладного заряду із забійкою і встановлено, що забійка накладного заряду, яка має відносно велику інертність, суттєво підвищує час дії заряду на негабарит, що призводить до збільшення його активної частини. Проведені оцінюючі розрахунки показують, що кумулятивні заряди з порошкового амоніту із забійкою не тільки можуть замінити заряди з тротилу, але виявляються ще більш ефективними.

Встановлено, що збільшити ширину зони хімічних реакцій, зменшити максимальний тиск в порожнині вибуху і частково стабілізувати тиск ПВ на рівні максимального можна, використовуючи два типи вибухових речовин або вводячи добавки у ВР, які повинні відбирати енергію у ПВ до поверхні Чепмена-Жуге і віддавати або виділяти енергію за нею. Окрім цього, частину теплової енергії ПВ вони перетворюють в пружну. Слід зазначити, що інертні домішки повинні мати великі теплоємність і теплоту фазових переходів, а критичний тиск речовини домішок для міцних і дуже міцних порід повинен вимірюватися сотнями МПа. Інакше енергія зворотного фазового переходу не використовуватиметься при дробленні породи. Слід враховувати, що вода не задовольняє жодній з цих вимог, а випадок з алюматолом вимагає окремого розгляду. Як домішки використовують речовини, які за поверхнею Чемпена-Жуге вступають в екзотермічні реакції. Вельми перспективними є горючі речовини, що не детонують в порожнині вибуху.

Показано, що при використанні двох типів ВР можна, наприклад, готувати патрони з емульсійних вибухових речовин, центральна частина яких заповнена добре детонуючою ВР, а периферійний циліндричний шар - флегматизованою ВР. Флегматизована ВР повинна детонувати в режимі недостиснутої ДХ, в цьому випадку хвильові процеси в перетині, перпендикулярному осі свердловини, збуджуватимуть подальші ДХ.

Розв'язку третьої задачі присвячений четвертий розділ, в якому розглянуто особливості механізму вибухового руйнування гірських порід.

Встановлено залежність процесу руйнування гірського масиву вибухом від параметрів свердловинного заряду . Механізм руйнування породи в ударній хвилі схематично наведено на рис. 4.

Рис. 4. Механізм руйнування породи в ударній хвилі

В зерні великої густини і малої стисливості швидкість хвилі велика, а швидкість породи мала і навпаки. У фронті УХ швидкості хвиль і породи усереднюються. Визначено швидкість зростання тиску і градієнт напружень в породі при формуванні УХ, які дорівнюють:

dp/dt = p_y/ 10¹⁶ Па/с; d/dr = p_y/(D_y) 10¹² Па/м (12)

де p_y - тиск у фронті УХ; час хімічних реакцій; D_y - швидкість УХ.

Оцінка мінімального розміру частинок зруйнованої в УХ однорідної за міцністю породи дає наступні результати:

. (13)

Оскільки D_y D, p_y 10_is для більшості бризантних ВР, то r 0,1h, де _is - межа плинності при нерівномірному тривісному стисненні; r - мінімальний розмір часток; h - ширина зони хімічних реакцій.

Вводячи у ВР домішки, критичні параметри і маса яких вибираються, виходячи з міцності і тріщинуватості породи, можна зменшити зону подрібнення і збільшити тим самим подрібнюючу і знеміцнюючу дії вибуху. В цьому випадку коефіцієнт корисної дії вибуху суттєво зросте.

Встановлено, що обов'язковою умовою зростання всіх тріщин в породі, що перевищують деяку задану величину, є вимога, щоб амплітуда поля напружень, швидкість зміни навантаження і тривалість його дії перевищували б деякі порогові значення. Для знеміцнення породи необхідно, щоб не тільки виконувалися ці умови, але і густина потоку енергії, що переноситься хвилею, також була обмежена знизу значеннями, різними для різних гірських порід.

Слід також відзначити, що в хвилі стиснення, що розповсюджується в необводненому масиві, зростають переважно тріщини, які перпендикулярні фронту хвилі; в обводненому масиві зростають ще й тріщини, паралельні фронту. В хвилях розвантаження зростають переважно тріщини, паралельні фронту, а в подовжніх пружних хвилях - тріщини, які перпендикулярні і паралельні фронту хвилі.

Розв'язку четвертої задачі присвячений п'ятий розділ, в якому розглянуто механізм знеміцнення та руйнування гірських порід зарядами вибухових речовин різних конструкцій.

За результатом уточнення механізму руйнування породного масиву свердловинними зарядами встановлено, що поле напружень свердловинного заряду в масиві в значній мірі залежить від співвідношення швидкостей хвиль детонації в зарядній порожнині і хвиль напружень в масиві гірських порід. Зміною цього співвідношення можна керувати механізмом руйнування порід.

Встановлено, що оболонка, яка покриває кумулятивний заряд ВР, на декілька десятків мкс (t ~ 40-50 мкс) «замикає» продукти вибуху біля кумулятивної виїмки. Окрім цього, якщо заряд не мав оболонки, то після закінчення часу t = 40 мкс тиск в продуктах вибуху зменшується до величини p~10⁷-510⁷ Па. Таким чином, оболонка збільшує бризантну дію. Відомо, що накладні заряди породжують сильні повітряні ударні хвилі (ПУХ). Початкові параметри ПУХ заряду з оболонкою суттєво нижчі, ніж без неї. Коли оболонка почне розлітатися, продукти вибуху утворюватимуть ПУХ безпосередньо, але тиск в ПВ до цього часу знизиться у декілька разів (при зсуві оболонки на висоту заряду тиск в продуктах вибуху зменшиться приблизно в 64 рази без урахування розльоту продуктів детонації).

Для збільшення часу знеміцнення гірських порід при вибусі інертні проміжки необхідно розташовувати в шаховому порядку. Тобто проміжок в свердловині повинен розташовуватися на рівні ВР в сусідніх свердловинах. При цьому порода витіснятиметься (текти) у бік проміжків. В зустрічних “потоках” відбуватиметься ефективне знеміцнення породи до початку її викиду.

Дослідження впливу зміни параметрів свердловинного заряду ВР на знеміцнення породного масиву дало можливість встановити, що знеміцнення породного масиву відбуватиметься в полі напружень, яке відрізняється сильною неоднорідністю і нестаціонарністю. Таким вимогам задовольняють заряди з переміжками частин двох типів ВР і заряди з нерухомими інертними проміжками, а також заряд з ДШ. В цьому випадку розмір елемента породи l(r), яка знеміцнюється на відстані r від осі свердловини, можна оцінити за формулою

, (14)

де с - динамічна межа міцності на зсув; ln - довжина проміжку; d - діаметр свердловини; p1, p2 - тиск в породі поблизу ВР і проміжку відповідно; n - коефіцієнт загасання хвиль напружень.

Кількість проміжків визначається технологічністю конструкції. Тиск, що здійснюється проміжком на стінку свердловини, менший за тиск зовні проміжку в 1,5-3 рази.

Схеми зарядів з інертними і повітряним проміжками наведені на рис. 5.

Розв'язку п'ятої задачі присвячений шостий розділ, в якому наведено обґрунтовування параметрів буропідривних робіт для масивів гірських порід різної міцності та структури.

Запропоновано методи розрахунку параметрів зарядів ВР для відбою масивів гірських порід дрібноблокової, середньоблокової та крупноблокової будови. Для вибуху в дрібноблоковому масиві необхідно, щоб площа, амплітуда і тривалість вибухового імпульсу були відносно невеликі, а поле напружень - максимально однорідним. Таким вимогам можуть задовольняти суцільні свердловинні заряди ВР з максимально великою зоною хімічних реакцій (часом зростання тиску до максимального) і малою амплітудою вибухового імпульсу.

а)	б)
	в)

Рис. 5. Заряди з інертними і повітряними проміжками:

а) - «рухомі» інертні проміжки; б) - «нерухомі» інертні проміжки;

в) - заряд з повітряним проміжком у перебурі;

1 - забійка; 2 - ВР; 3 - проміжки; 4 - поле напружень; 5 - ДШ; 6 - канал в проміжку

Для руйнування середньоблокових порід застосовуються як комбіновані заряди, так і заряди з водними, інертними і невеликими повітряними проміжками, оскільки заряди з великими повітряними проміжками мають недостатньо велику площу вибухового імпульсу.

Для руйнування великоблокового масиву немає необхідності у вживанні зарядів ВР з дуже великою площею вибухового імпульсу. Підбором ВР в комбінованому заряді і вибором матеріалу інертного проміжку за густиною, стисливості і коефіцієнту загасання УХ в заряді з інертними проміжками можна, у відомій межі, цілеспрямовано змінювати амплітуду, тривалість, площу і форму вибухового імпульсу на стінці порожнини. Для руйнування монолітних гірських порід також добре застосовувати комбіновані заряди завдяки створенню ними поля напружень з високим ступенем неоднорідності.

Запропоновано критерій вибору ВР і конструкції заряду для створення оптимального імпульсу навантаження породного масиву різної блоковості і міцності. Найбільш універсальним способом керування величиною і формою імпульсу вибуху, що дозволяє перерозподіляти енергію вибуху за висотою колонки заряду, є розосередження суцільних і комбінованих зарядів. Вельми перспективною є розробка технології масових вибухів із застосуванням зарядів з повітряними, водними і іншими інертними проміжками. Вживання заряду з радіальним проміжком дозволяє зменшити зону переподрібнення, а, отже, підвищити к.к.д. вибуху.

Встановлено загальні закономірності залежності основних параметрів буропідривних робіт від міцності і тріщинуватості порід. Для величини питомої витрати ВР визначено значення поправкового коефіцієнту, який враховує категорії блоковості порід: для дрібноблокових порід kБ = 0,8, для середньоблокових - kБ = 1,0 і для великоблокових порід kБ = 1,2. Запропоновано формулу для розрахунку питомої витрати ВР для порід різної блоковості

, кг/м³, (15)

де f - коефіцієнт міцності за М.М. Протодьяконовим.

З метою обліку анізотропії порідного масиву при розрахунку параметрів сітки свердловин отримано значення коефіцієнта зближення зарядів, що враховує значення осей еліпса воронки вибуху і кут між його великою віссю і лінією забою,

, (16)

де B, А - мала і велика напівосі еліпса воронки вибуху; - кут між лінією забою і великою віссю воронки вибуху.

Взаємозв'язок між розмірами сітки свердловин - відстань між свердловинами в ряду (а) і між рядами свердловин (b) - виражається через коефіцієнт зближення зарядів m

, (17)

значення якого на гранітних кар'єрах приймаються рівними m = 1,0-1,2.

Виконано розрахунок оптимальних розмірів частинок домішка у ВР для його вживання в накладних зарядах.

Розв'язок рівняння теплопровідності

(18)

дозволяє оцінити час нагрівання в ПВ за рахунок теплопровідності частинок домішка у вигляді куль з алюмінію (табл. 2)

,

де R - радіус частинок добавки у вигляді кулі; а - температуропровідність матеріалу добавки.

Таблиця 2

Час нагрівання добавки у вигляді куль з алюмінію

за рахунок теплопровідності

мкм	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
мкс	0,029	0,16	0,46	1,04	1,85	2,9	4,18	5,68	7,4	9,78	11,6

При цьому час хімічних реакцій

, (19)

де h - ширина зони хімічних реакцій; D - швидкість детонації;

потенційна енергія одиниці маси добавки

; (20)

витрати теплоти

(21)

і теплота вибуху гелекса 650 Qвзр = 4,8 МДж/кг.

При контурному вибусі необхідно сформувати поверхню виробки і забезпечити її стійкість. Ця мета досягається, якщо контурні шпури з'єднуються тріщинами, а в законтурному просторі руйнувань не відбувається.

Для розрахунку параметрів шпурового заряду, який дозволяє забезпечити контурний вибух, і вибору його конструкції необхідно оцінити параметри поля напружень в породі. Максимальний тиск в порожнині вибуху повинен забезпечити зародження тріщин, тому максимальний тиск ПВ в шпурі повинен дорівнювати

, (22)

де E - модуль Юнга; * - робота руйнування на одиницю поверхні тіла; а - відстань між шпурами; d - діаметр шпура.

Тривалість дії напружень повинна бути достатньою для виникнення оконтурюючої тріщини і її необхідного розкриття. Тривалість дії напруженого стану на породу можна оцінити за формулою t_н= t₁+t₂ +t₃ +t₄, де t₁ - час детонації вибухової речовини (ВР), t₁ l₃/D, де l₃ - довжина заряду в шпурі; D - швидкість детонації ВР; t₂ - час встановлення квазістатичного поля напружень, t₂ а/C_p, де С_р - швидкість хвилі напружень в породі; t₃ - час зростання оконтурюючої тріщини, t₃ a/4C_p; t₄ - час розкриття тріщини, необхідної для екранування породи, що руйнується, від масиву.

...