Исследования работы локализаторов взрыва из упругих элементов

Общие положения при расчёте укрытий

Решение любой задачи предотвращения или гашения дальности разлёта осколков при взрыве сводится к поглощению тем или иным искусственным сооружением кинетической энергии разбрасываемых пород, а также остаточной кинетической энергии продуктов взрывчатого разложения, вырывающихся вместе с разрушенной породой на поверхность. Кинетическая энергия газов взрыва учитывается только для сплошных укрытий, когда имеет место газовый удар. Газопроницаемые укрытия практически полностью исключают газовый удар, поэтому кинетическая энергия газов при расчёте данных укрытий во внимание не принимается.

При любых взрывах укрытия воспринимают большие ударные нагрузки. Если укрытие сплошное жёсткое (металлические щиты и т. п.), то удар породы и газов об укрытие является упругим. При этом вся кинетическая энергия передаётся укрытию. При газопроницаемом эластичном укрытии имеет место неупругий удар пород по укрытию. При таком ударе потеря кинетической энергии разлетающихся обломков породы тем существеннее, чем больше скорость грунта до встречи с укрытием и чем меньше приобретённая скорость укрытия после взрыва.

Для расчёта укрытий обычно используют методы, при которых данный заряд приводится к относительной массе заданного заряда наружного действия, основанные на известном положении о том, что сопротивление взрываемой толщи пород изменяется пропорционально заглублению заряда. Практически это положение иллюстрируется тем, что скорости разлёта возрастают от нуля до максимума в направлении от периферии воронки выброса к её оси, т. е. к линии наименьшего сопротивления.

Если на пути разбрасываемого грунта и газов установить какую-то массу, то она получит от выбрасываемой породы кинетическую энергию, которая будет характеризоваться определённой средней скоростью перемещения этой массы, и, следовательно, с точки зрения кинематики, возведение укрытий над зарядами исполняет роль искусственного усреднения скоростей разлёта. Это очень важное обстоятельство, т. к., зная среднюю скорость движения грунтов, легко из эксперимента вычислить затраты энергии взрыва на разброс породы, кроме того, можно определить какую часть общей энергии взрыва уносят с собой уходящие в атмосферу продукты взрывчатого разложения.

Скорость перемещения грунтов (средняя) может быть определена, в частности, по высоте подбрасывания укрытия над свободной поверхностью. Можно также использовать для этого метод скоростной киносъёмки и другие *. Таким образом, глубокое исследование системы взрыва с искусственным укрытием представляет не только теоретический интерес, но и имеет большое практическое значение.

Применяемые укрытия должны полностью исключить повреждение охраняемых объектов от действия УВВ и разлёта кусков за пределами опасной зоны. Заряды при взрывании под укрытием рассчитываются только на рыхление. Расчёт укрытий производится согласно действующим нормативным документам и справочникам.

В настоящее время имеется достаточный производственный опыт применения различных типов защитных устройств, на основании которого разработаны методы расчёта наиболее распространённых видов укрытий.

В «Инструкции по производству взрывных работ с защитными укрытиями»^[1][2] масса сплошного укрытия М_у из деревянных или металлических щитов, нетканых материалов и др., устанавливаемого над зарядом, определяется в соответствии с Техническими правилами^[3] по формуле.

где  — масса заряда рыхления, кг; D, — диаметр заряда, м;

1₃ — длина забойки, м; W — линия наименьшего сопротивления заряда, м; Н_э — эффективная высота установки укрытия, м; Н_у — высота фактической установки укрытия, м.

Предельно допустимая величина Н_у при использовании укрытий из различных щитов, нетканых материалов должна составлять > 0,25 м. Для укрытий из мелкодисперсных материалов, якорных цепей, мешков с песком Н_у = 0.

Эффективная высота установки укрытия Я, = 0,22 К_ВВН_Ж, м, где Н_к — мощность взрываемого слоя, м; К_Вв — коэффициент расчётного удельного расхода ВВ для зарядов рыхления, кг/м³, определяемый по Техническим правилам.

Высоту установки укрытия целесообразно принимать Н_у? Я,.

Линия наименьшего сопротивления составляет W = /, + 0,5/_м, где 1_ВВ — длина заряда ВВ, м.

В случае применения сплошных укрытий из мешков с песком или укрытий из насыпного мелкодисперсного грунта, располагаемых непосредственно на взрываемой поверхности, удельная масса укрытия М_у = 0,33/fV, кг/м^[3][5][6], где у — плотность взрываемой породы, кг/м^э.

Толщина слоя укрытий из мелкодисперсного насыпного материала.

где у_а — плотность материала укрытия, кг/м^э; К^ - коэффициент разрыхления грунтов, используемых для укрытия .

Массу газопроницаемых укрытий определяют по следующей формуле^[5]:

Большие значения в указанном диапазоне изменения коэффициентов при М_у относятся к случаям применения плоских типов укрытий. Величину М_г рекомендуется уточнять по данным испытаний укрытий или первых промышленных взрывов.

Дальность разлёта в районе действия крайних зарядов регулируется за счёт перекрытия укрытиями возможных направлений вылета кусков породы. Расстояние, на которое должна перекрываться поверхность взрываемого массива от крайних зарядов до края устанавливаемого укрытия (Н_пер), следует принимать ³:

где а"р — коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы МКЗВ; при порядной схеме взрывания a_v = 2,35; г_р — допустимый радиус разлёта кусков породы при взрывании с укрытием, м; R_p — радиус разлёта кусков породы при взрывании без укрытия, м ^].

Несколько другой подход к расчёту массы укрытия изложен в работе^[8][9]. Отмечено, что газовый удар имеет место при использовании сплошных укрытий, в то время как проницаемость прерывистых укрытий почти полностью исключает газовый удар, и кинетическая энергия газов при этом не должна приниматься во внимание.

Если на пути разбрасываемой породы и газов расположить какую-то массу, то она получит от выбрасываемой массы кинетическую энергию, которая будет характеризоваться определённой средней скоростью перемещения этой массы. Скорость кусков породы (средняя) может быть определена, в частности, по высоте подбрасывания укрытия h_y над свободной поверхностью из соотношения = yj2gh_y, где g — ускорение свободного падения. Можно также использовать для этого метод скоростной киносъёмки.

Методы расчёта таких зарядов для различных сред хорошо согласуются с практикой (не считая взрывов больших масштабов). В качестве эталона принят заряд нормального выброса, относительная масса которого N_q = 1.

Заряды рыхления имеются в виду такие, которые имеют относительную массу N_q = 0,33, а заряды камуфлета — N_q = 0,2−0,22.

Расчёт газопроницаемых укрытий в работе^[6] проводится следующим образом. Пусть в точке О имеется заряд нормального выброса q_M, образующий взрывную воронку ЛОВ (рис. 3.1) с высотой h = W и радиусом г = W. Сопротивление пород по любому радиальному направлению от заряда к свободной поверхности будет зависеть от расстояния между зарядом и точкой пересечения этого направления с дневной поверхностью. Это расстояние равно W / cos <�р_в, где (р_в — угол между вертикалью и данным направлением.

Сопротивление на периферии взрывной воронки (в точках А и В) таково, что скорость грунта здесь U = 0, т. е. выброса не происходит, а породы только разрыхляются. Следовательно, для этой зоны заряд q_He является зарядом рыхления. Его относительная масса N_q определяется из следующих соотношений.

Рис. 3.1. Схема воронки выброса.

Масса заряда нормального выброса q_m = K_mNJV* или, зная, что для таких зарядов N_q = 1, q_m = K_mW^, где К_т — коэффициент расчётного удельного расхода ВВ. Масса заряда q рассчитанная по сопротивлению в точках А и В, будет: q — K"N_qW*; W_t определяется здесь из прямоугольного треугольника ODB, где (р_в = 45°; W_t = W! cos <�р,. Но q" и q' — это один и тот же заряд, выраженный по разным величинам ЛНС W и W_]y следовательно, приравняв.

Гу

выражения этих зарядов, получим N₄ =—. Отсюда следует, что если для заряда <7*, создать на всех направлениях сопротивление, равное Wj то он превратится в заряд рыхления. Это можно осуществить, если вместо горизонтальной поверхности ограничить заряд сферической поверхностью с радиусом W]

Теоретически можно представить себе такую среду, сферическая зона которой создаёт зону абсолютно равных сопротивлений для заряда, и при правильном расчёте величины заряда вся энергия его будет затрачиваться на разрушение пород, а выброса не произойдёт. В этом случае масса пород, заключённая в сферическом сегменте ADBE над воронкой нормального выброса, будет как бы поглощать ту часть энергии взрыва, которая затрачивается на разлёт. Если теперь указанную массу сегмента заменить массой искусственного сооружения и уложить её на ту же площадь, тем самым будет решена поставленная задача.

При взрыве горной массы опасность представляют только те её части, которые приобретают максимальную скорость. При плоской открытой поверхности — это часть породы вблизи ЛНС, а при сферической — только та, которая попадает под влияние отдельных достаточно мощных потоков прорывающихся изнутри газов взрыва. Как сказано выше, специфика прерывистых эластичных укрытий состоит в том, что они почти без сопротивления пропускают сквозь себя газы взрыва, и потому не воспринимают газовый удар. Вместе с тем, за счёт прочного сцепления с разрушенной породой они надёжно удерживают породу в компактном виде, поэтому все части породы вместе с укрытием могут перемещаться только с какой-то одной средней скоростью. Усреднение скоростей и самоторможение происходят как бы автоматически. Одновременно энергия взрыва, не имея свободного выхода на поверхность из-за того же компактного состояния пород, направляется на дополнительное разрушение их. Тем меньшая часть её передаётся породе в виде кинетической энергии.

Всё это вместе взятое позволило принять для расчёта именно приведённый заряд рыхления, т. к. имеется достаточно оснований утверждать, что для надёжной защиты от разлёта с помощью прерывистых эластичных укрытий масса их должна быть не более эквивалентной массы пород, заключенных в шаровом сегменте ADBE.

Объём пород шарового сегмента (см. рис. 3.1) равен

где h = — W. При (р_в = 45° (воронка нормального выброса) h = 0,41 W, м, а.

г =W; = 1,41 W_t м. Теперь = 0,7W³, м³. При объёмной массе породы у, кг/м³, масса породы сегмента для зарядов нормального выброса Р_е = 0,1 W³ г, кг.

Найденная масса распределяется на взрываемой площади неравномерно. Однако надёжность укрытия, масса которого соответствует найденной массе сегмента, не ухудшится и в том случае, когда оно будет выполнено в виде плоского элемента с одинаковой толщиной. В этом случае распределение массы укрытия по площади будет равномерным, и расчёт необходимой массы укрытия определится как его масса на единицу площади.

При этом представляют интерес только заряды рыхления (TV^l). Зоной наибольшей опасности разброса грунта и при зарядах рыхления является зона воронки нормального выброса, поэтому общая масса укрытия должна быть распределена над этой воронкой.

Площадь основания воронки нормального выброса с радиусом W будет > Тогда масса газопроницаемых укрытий на единицу площади для заряда нормального выброса:

что достаточно близко соответствует рекомендациям (3.1).

Масса укрытия пропорциональна заглублению заряда. Очевидно, при изменении относительной массы заряда в такой же степени изменится и масса укрытия. Поэтому массу укрытий на один квадратный метр площади для любого заряда можно определить по той же формуле (3.2), введя в неё коэффициент относительной массы заряда, кг/м²: р_у = 0_f22JVy_eN_qi

При массе заряда на единицу площади , масса укрытия на единицу массы заряда ВВ:

При

Взрываемая площадь S"_p определяется как площадь, на которой размещается расчётный заряд и в направлении которой сооружаются укрытия, и для скважинных зарядов с двумя обнажёнными плоскостями — если укрытиями защищается горизонтальная площадь обнажения, и5_яр =.

— если укрытия укладываются со стороны вертикальной плоскости обнажения, где аж — расстояние между скважинами, Н_у — высота уступа.

Итак, для одиночного заряда установлена необходимая общая масса укрытия на единицу площади. Но в практике для рыхления пород почти всегда применяются не одиночные заряды, а группы зарядов (серии), размещённые на более или менее значительных площадях. Все методы расчёта зарядов рыхления основаны на том, что зоны рыхления отдельных зарядов размещаются в массиве, не перекрывая друг друга. Перекрываются между собой только зоны разрушения, которые в результате этого перекрытия превращаются в зоны рыхления. Искусство ведения взрывных работ на рыхление и состоит именно в таком размещении зарядов, при котором происходит взаимное перекрытие зон разрушения соседних зарядов и, как следствие, улучшение дробления пород без дополнительного расхода ВВ. Всё это позволяет авторам утверждать, что масса укрытий (общая, на единицу площади и на единицу массы В В), определённая для одиночного заряда, достаточна также и для серийных зарядов.

Анализ существующих конструкций укрытий мест взрыва показал, что предпочтительно применение газопроницаемого укрытия в виде мата из якорных цепей. Однако широкое применение газопроницаемых матов из тяжёлых якорных цепей осложняется вопросами приобретения и доставки, особенно в удалённые от морей и рек места, а также обязательным использованием мощной грузоподъёмной техники ввиду необходимости укладки больших полотен заранее связанных матов значительной удельной массы.

Анализ приведенных методов расчёта укрытий взрывных скважин позволяет сделать следующие выводы:

• — расчёты показали, что масса газопроницаемых укрытий примерно в 4,5 раза меньше массы сплошных укрытий, что и предопределяет их предпочтительное применение;
• — все методы расчёта применимы при проведении взрывных работ на рыхление для определения массы укрытий, укладываемых на одной горизонтальной свободной поверхности. Это объясняется тем, что взрывные работы под укрытием проводятся, в основном, на строительных площадках, когда в непосредственной близости находятся промышленные или гражданские сооружения, автомобильные или железные дороги, линии электропередач и пр.;
• — отсутствуют методы расчёта укрытий при взрывании в карьерах уступов массива горных пород с боковой, торцевой и верхней горизонтальной свободными поверхностями.

• [1] Основные положения по применению укрытий от разлёта породы при взрывах нарыхление. М. 1967. 45 с.
• [2] Инструкция по производству взрывных работ с защитными укрытиями. М. 1987.36 с.
• [3] Технические правила… Указ. соч.
• [4] Технические правила… Указ. соч.
• [5] Инструкция по производству взрывных работ… Указ. соч.
• [6] Там же.
• [7] Инструкция по производству взрывных работ… Указ. соч.
• [8] Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ 13−407−01) / Редкол.А. И. Субботин и др. Утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 30.01.2001 г. № 3.
• [9] Основные положения по применению укрытий… Указ. соч.
• [10] Там же.