Действие взрыва в массиве горных пород

Разрушение горных пород взрывом является сложным процессом и характеризуется целым рядом специфических особенностей, затрудняющих создание единой физической модели процесса: разнообразие свойств пород, естественная неоднородность среды, отличие механических констант породы в статике и динамике, высокая скорость деформации, высокие напряжения и др.

Несмотря на это, в многочисленных теоретических и экспериментальных исследованиях создана довольно стройная картина процесса разрушения пород взрывом.

Механизм разрушения горных пород энергией взрыва ВВ, в том числе и мёрзлых пород, не одинаков и зависит от физико-механических свойств пород.

Профессор А. Н. Хаиукаев по характеру сил разрушения и их роли в процессе разрушения делит горные породы на три группы:

• • грунтовые массивы с акустической жёсткостью X. < 5• 10⁵ г/(см² с);
• • массивы средней прочности с акустической жесткостью X. = (5… 15)-10⁵ г/(см²-с);
• • крепкие с акустической жёсткостью X > 15−10⁵ г/(см"-с). Акустической жёсткостью (волновым сопротивлением) называется произведение плотности горной породы на скорость продольных волн (рС_р). Породы с малой акустической жёсткостью в основном разрушаются за счёт давления газов взрыва, находящихся во взрывных камерах, жёсткие породы — за счёт волн напряжений.

Характер разрушений при этом различен: волны напряжения вызывают радиальные и тангенциальные трещины; газы взрыва — смятие среды или разрушение её в процессе движения.

Разрушение мёрзлых пород взрывом в основном зависит от температуры и льдистости последних. Менее влажные мёрзлые породы разрушаются в основном в результате удара и давления газообразных продуктов взрыва. Роль волн напряжений в этом случае проявляется незначительно. При более влажных породах, соответствующих полному заполнению пор пород льдом, разрушение при взрыве такого массива происходит под действием волн напряжений и давления газообразных продуктов взрыва, т. е. взрываемость мёрзлых грунтов зависит от их льдистости, определяемой влажностью и температурой пород.

Грунтовые массивы (пески, супеси, некоторые глины и суглинки) разрушаются в результате запаса кинетической энергии, приобретённой средой при расширении газообразных продуктов взрыва. Разрушения под действием волн напряжений в этих породах незначительны. Последовательность разрушения фунтового массива показана на рис. 6.4 и характеризуется следующим. При взрыве вокруг заряда образуется шаровая полость, заполненная газами взрыва. В неограниченном массиве действие взрыва заканчивается образованием полости некоторого предельного диаметра. Размеры полости зависят от свойств массива, массы и формы заряда, работоспособности и бризантности ВВ, плотности заряжания. Этот эффект используют для образования специальных полостей для хранения газообразного или жидкого топлива, котлов в скважинах и шпурах при простреливании для размещения увеличенной массы заряда, при проходке колодцев, шурфов и стволов в мягких породах.

Свободная поверхность при взрыве заряда ВВ в фунтовом массиве влияет на дальнейшее развитие взрыва. Полость взрыва начинает принимать фушевидную форму с большей осью, направленной по линии наименьшего сопротивления. Изменение формы полости объясняется различной сопротивляемостью перемещению участков массива. В нижней части полости расширение быстро прекращается, в то время как размеры верхней части полости увеличиваются, уменьшая толщину слоя грунта, поднимаемого над полостью. В момент, близкий к концу взрыва, оболочка прорывается в верхней части полости и дальнейшее движение породы происходит в результате свободного полёта отдельных частиц. В процессе падения породы формируется открытая воронка. У краёв воронки образуется гребень из разрушенной породы. Часть её сползает вниз, придавая воронке угол естественного откоса и уменьшая её объём.

При зарядах усиленного выброса в воронку падает незначительная часть грунта. При зарядах нормального и уменьшенного выброса видимая глубина воронки всегда меньше глубины заложения заряда.

Рис. 6.4. Разрушение грунтового массива взрывом заряда ВВ:

I-VIIфазы образования воронки

Поскольку для воронки нормального выброса объём разрушаемой породы приблизительно составляет IV', масса заряда нормального выброса.

где q_H — удельный расход нормального выброса, кг/м³; V — объём разрушаемой породы, м, W — линия наименьшего сопротивления (расстояние до свободной поверхности, глубина заложения заряда), м.

В основу всех расчётов параметров БВР положен удельный расход ВВ, численно равный массе заряда, который необходим для разрушения единицы объёма (массы) горной породы. Удельный расход ВВ зависит в основном от физико-механических свойств горных пород.

При описании процесса разрушения скальных монолитных массивов взрывом учитывается, что скорость детонации ВВ значительно выше скорости распространения волн напряжений в породе. Поэтому поверхность породы воспринимает действие давления продуктов взрыва одновременно по всей площади его соприкосновения с массивом. На поверхности раздела «заряд-порода» детонационная волна переходит в ударную с весьма высокой амплитудой.

Экспериментально установлено, что в скальных горных породах 75…88% общего объёма разрушений совершается под действием волновых процессов и 12…25% - под действием расширяющихся продуктов детонации.

Область распространения ударной волны ограничена объёмом, радиус которого составляет 3−7 радиусов заряда.

В этом объёме порода быстро сжимается и смещается вслед за фронтом волны деформации.

Напряжение на фронте волны превышает модуль объёмного сжатия среды, а сами нормальные напряжения соосны, благодаря чему порода вблизи заряда раздавливается и переходит в текучее состояние, образуя зону пластических деформаций с системой многочисленных пересекающихся трещин, изменяющих её структуру (рис. 6.5). В этой зоне порода находится в состоянии неравномерного всестороннего сжатия. Затухание напряжений в области ударных волн в большей степени подчиняется примерно кубической зависимости.

По мере удаления от эпицентра передний фронт ударной волны выполаживается и она переходит в волну сжатия, вызывающую неупругое возмущение среды. Параметры вещества на фронте волны сжатия меняются достаточно плавно. Скорость распространения возмущения равна скорости звука в данной среде, а время изменения состояния вещества всегда меньше времени возвращения его в состояние покоя. Затухание напряжений в этой зоне с расстоянием подчиняется квадратичной зависимости. Среда ведёт себя неупруго с возникновением остаточных деформаций, ведущих к нарушению сплошности строения среды. Под действием прямой волны напряжений, распространяющейся от заряда, в среде в радиальном направлении возникают сжимающие напряжения, а в тангенциальных — растягивающие, которые и обеспечивают появление радиальных трещин. Кроме того, под действием высокого давления порода деформируется и радиусы условно выделенных вокруг заряда сфер увеличиваются. В результате этого порода в радиальных направлениях будет испытывать растягивающие напряжения, которые и обеспечивают дополнительное развитие в массиве радиальных трещин.

После быстрого снижения давления газов в центре взрыва сильно сжатая порода смещается в сторону центра заряда и условный радиус выделенной сферы уменьшается. В результате этого в породе появляются кольцевые (откольные) трещины.

Рис. 6.5. Схема разрушений монолитной скальной породы вокруг заряда камуфлета: а — зона трещинообразований, b — зона измельчения.

При дальнейшем удалении волны напряжений от заряда растягивающие тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы растяжению. Зона распространения волны сжатия в скальных породах ограничена 120−150 радиусами заряда.

По мере дальнейшего выполаживания переднего фронта волны сжатия в среде наблюдается её переход в сейсмическую волну, вызывающую упругое возмущение среды. Параметры состояния вещества на фронте практически не меняются. Скорость распространения сейсмической волны равна скорости звука в данной среде, а время возвращения вещества в состояние покоя равно времени его выведения из этого состояния. Область распространения сейсмической волны определяется общей массой заряда. Предельные размеры сейсмически безопасных зон были рассмотрены в предыдущей главе. Затухание напряжений в сейсмической волне с расстоянием от заряда происходит по линейной зависимости. В сейсмическую волну трансформируется около 1% потенциальной энергии ВВ.

Для решения задач дробления горных пород взрывом представляют интерес первые две зоны.

При взрыве заряда вблизи обнаженной поверхности (рис. 6.6) волна напряжений у её границы вызывает смещение частиц среды, не имеющих преграды, в сторону свободной поверхности, вовлекая в этот процесс все более отдаленные от поверхности участки породы. По массиву, таким образом, начинает распространяться отраженная волна растяжения, напряжения в которой по знаку противоположны напряжениям прямой волны.

Волна растяжения представляет отраженную от обнажённой поверхности волну сжатия и распространяется гак, как если бы она была образована от взрыва минного заряда, величина которого одинакова с действительно взорвавшимся зарядом, который расположен снаружи на расстоянии от обнажённой поверхности, равном л.н.с. взорванного заряда.

Рис. 6.6. Схема образования у обнаженной поверхности отраженной волны растяжения: 1 — зеркальное отображение заряда (минный заряд):

• 2 — фронт падающей волны; 3 — заряд ВВ в породе;
• 4 — фронт отражённой волны

Поскольку порода обладает в 10−30 раз меньшим сопротивлением растягивающим нагрузкам по сравнению со сжимающими, у обнаженной поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием трещин и откольной воронки.

При достаточной массе заряда (его энергии) разрушения, распространяющиеся вглубь массива от поверхности, смыкаются с разрушениями, происшедшими вокруг заряда, что приводит к разрушению всего объёма породы внутри воронки.

Общее напряженное состояние, возникающее при взрыве одиночного заряда и вблизи свободной поверхности, показано на рис. 6.7, где or и о, — соответственно нормальные и касательные напряжения.

Трещиноватые скальные массивы разрушаются как под воздействием газов взрыва, так и под действием волны напряжений, а разрушения распространяются как от заряда, так и от открытых поверхностей массива навстречу друг другу. Под действием высокого давления газов взрыва в месте зарядной камеры образуется полость, вокруг которой расположена зона разрушенной породы.

Рис. 6.7. Распределение главных напряжений при взрыве заряда В В в среде под действием прямой волны сжатия (а); волн сжатия и растяжения на границе раздела полупространства (б); отраженных волн растяжения (в); волн разряжения (г).

Рис. 6.8. Характер затухания энергии взрыва в монолитном (1) и трещиноватом (2) массиве

Сквозные трещины массива являются поверхностями раздела, которые препятствуют распространению волн напряжений и разрушений за пределами зоны, ограниченной этими трещинами. У плоскости каждой трещины происходит скачкообразное падение напряжений о волны вследствие ее частичного отражения от трещины (рис. 6.8). За счёт этого напряжения в трещиноватом массиве снижаются более интенсивно, чем в монолитном, а трещины от заряда распространяются на меньшее расстояние г. За пределами трещин порода разрушается в основном под действием механического соударения разрушенной вокруг заряда породы с остальным разрушаемым объёмом. Поэтому в трещиноватом массиве породы под действием прямых и отраженных волн создастся несколько очагов разрушения.

Экранирующее действие трещин увеличивается с увеличением их ширины, а также при заполнении трещин более вязкими материалами, которые оказывают амортизирующее влияние при ударе отдельностей друг о друга.

В трещиноватом массиве выделяются характерные зоны дробления. Рядом с зарядом порода разрушается на значительное число кусков от действия волн напряжений и давления газов взрыва. Эта зона называется зоной регулируемого дробления. Отдельности, слагающие остальной объём массива, разрушаются от динамического воздействия зоны регулируемого дробления. Разрушение отдельностей здесь носит вероятностный характер. Отдельности разрушаются, если в них имеются ослабления. Эта зона называется зоной малорегулируемого дробления. За ней следует зона, где массив разваливается на отдельности, — зона нерегулируемого дробления. Для получения необходимых результатов дробления необходимо увеличить зону регулируемого дробления, уменьшить зону малорегулируемого и исключить зону нерегулируемого дробления.

Контрольные вопросы

• 1. На какие типы делятся породы по характеру сил разрушения и их роли в процессе разрушения?
• 2. Что называется акустической жёсткостью пород?
• 3. Какова последовательность разрушения взрывом грунтовых массивов?
• 4. В каких зонах вокруг эпицентра взрыва распространяются ударные и сейсмические волны, а также волны сжатия?
• 5. Каков характер разрушения скальных пород в зонах прохождения различных волн напряжения от взрыва заряда?
• 6. Каковы особенности взрывного разрушения трещиноватых пород?
• 7. Что называют зоной нерегулируемого дробления?