Процесс разрушения скальных монолитных массивов

Зона разрушения состоит из зоны измельчения (раздавливания) и зоны разрыхления (трещинообразования) (рис.4.9).

Разрушение породы в зоне измельчения

Поверхность породы воспринимает действие взрыва одновременно по всей площадке соприкосновения заряда с массивом.

На поверхности раздела "заряд-порода" детонационная волна переходит в ударную волну с весьма высокой амплитудой, вызы вающей сильное измельчение породы. По мере удаления от заряда амплитуда ударной волны резко снижается и на расстоянии 10-15 радиусов заряда превращается в упругую волну напряжения, скорость распространения которой меньше, чем ударной и равна скорости звука в породе. Однако амплитуда взрывной волны остается зна­чительно выше прочности породы на раздавливание, вследствие чего после ее прохождения наблюдается интенсивное разрушение массива, часто с потерей им первоначальной структуры.

Рис. 4.9. Процесс разрушения монолитной скальной породы вокруг заряда: а - зона измельчения; б - зона трещинообразования; 1 - радиальные трещины; 2 - тангенциальныетрещины

Зона измельчения обычно ограничена 15-20 радиусами заряда.

После прохождения взрывной волны определенное разрушительное действие в этой зоне производят и газы взрыва, находящиеся под чрезвычайно высоким давлением.

Порода вблизи заряда под указанным воздействием взрывной волны и газов быстро сжимается и смещается вслед за фронтом волны напряжений. В результате чего она сильно деформируется, в породе образуется система многочисленных пересекающихся трещин.

Разрушение в зоне разрыхления (трещинообразования)

По мере удаления от заряда, напряжения в породе от взрыва снижаются и на определенном расстоянии становятся меньше сопротивления породы сжатию, вследствие чего характер деформации и разрушений среды меняется.

Под действием прямой волны напряжений и сжатых газов взрыва, распространяющихся от заряда в среде в радиальном направлении, возникают сжимающие напряжения, а в тангенциальном – растягивающие напряжения (рис. 4.10).

Рис.4.10. Механизм образования радиальных и тангенциальных трещин:

σ_r - сжимающие напряжения; σ_τ- растягивающие напряжения

За счет действия растягивающих напряжений в породе образуются радиальные трещины. Определенное влияние на раскрытие этих трещин оказывает и поток расширяющихся газов, устремляющихся в трещины. Скорость потока может оказаться достаточно высокой, и в этом случае газ достигает вершины трещины. Так как течение газа в узкой трещине связано с заметными гидродинамическими и тепловыми потерями, давление его в трещине быстро уменьшается и становится недостаточным для разрыва, но продолжает играть роль рычага или клина, увеличивая растягивающие напряжения в вершине трещины. Этот эффект имеет большое значение для удлинения трещин.

При дальнейшем удалении волны деформации от заряда растягивающие тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы растяжению. Поэтому за пределами этого расстояния разрушений проходить не будет, а будут иметь место только упругие колебательные смещения частиц породы.

Порода под действием высокого давления деформируется и радиус условно выделенной вокруг заряда сферы r₁, увеличится до значения r₂ (см. рис.4.10). После снижения давления газов в центре взрыва сильно сжатая порода будет разрушаться и смещаться в сторону центра заряда, за счет чего условный радиус сферы уменьшится, а участки породы, прилегающие к полости, будут испытывать напряжения растяжения в радиальных направлениях. В результате этого в породе образуется ряд кольцевых тангенциальных трещин.

Четыре стадии действия взрыва на горную породу (по Г.И. Покровскому)

При количественной конкретизации схемы действия камуфлетного взрыва на скальный массив Г.И. Покровским выделено четыре стадии воздействия продуктов детонации на горную породу.

/ стадия

В первую стадию детонационная волна выходит на поверхность контакта "ВВ - порода". В породе генерируется ударная волна высокой амплитуды, превышающей на порядок предел прочности породы на сжатие.

При этом ударная волна производит интенсивное мелкодисперсное дробление породы.

В области действия ударной волны имеет место интенсивная диссипация энергии. При этом происходит быстрое уменьшение амплитуды ударной волны и уменьшение скорости ее распространения.

// стадия

В момент, когда скорость распространения ударной волны уменьшается до скорости распространения продольных волн, ударная волна превращается в упругую и начинается вторая стадия волнового упругого динамического воздействия взрыва заряда ВВ на породу. Амплитуда упругой волны еще существенно больше предела прочности породы на сжатие, поэтому передний фронт распространения упругой волны является одновременно и фронтом поверхности разрушения породы.

На второй стадии действия взрыва имеют место расширяющаяся полость, заполненная газообразными продуктами детонации, и зона мелкодисперсного дробления породы. Давление газов в по­лости передается через раздробленную массу на передний фронт упругой волны, разрушающей породу. В процессе распространения упругой волны амплитуда уменьшается как за счет диссипации энергии при разрушении породы, так и вследствие расхождения -увеличения длины фронта с увеличением радиуса его поверхности.

/// стадия

Третья стадия действия начинается в момент, когда амплитуда переднего фронта упругой волны уменьшается до значений динамической прочности породы.

Для третьей стадии действия взрыва характерно формирование нескольких зон деформирования и разрушения породы:

• зона мелкодисперсного дробления породы за счет действия продуктов детонации;

• зона радиального трещинообразования породы;

• зона упругого деформирования.

В конце третьей стадии действия взрыва в ближней зоне возникает уравновешенное напряженно-деформированное состояние, из упругой волны выделяется сейсмическая волна.

IV стадия

В четвертой стадии имеет место образование кольцевых трещин как в зоне радиального трещинообразования, так и в зоне упругого деформирования. Кольцевые трещины образуются вследствие того, что в определенный момент взрыва по многочисленным трещинам продукты взрыва из полости прорываются в атмосферу и в ней происходит резкое падение давления, которое приводит к разгрузке сжатой породы в зонах радиального трещинообразова­ния и упругого деформирования. При этом возникает движение частиц породы к центру заряда и появляются растягивающие радиальные напряжения, вследствие которых и возникают кольцевые трещины вокруг полости.

Разрушение породы вблизи свободной (открытой) поверхности

Для разрушения горных пород взрывом эффективно применение дополнительных плоскостей обнажения (свободных плоскостей). В качестве плоскостей обнажения можно использовать шпуры (холостые), а лучше скважины, которые получаются бурением за счет механических способов разрушения горной породы.

При взрыве заряда вблизи открытой поверхности характер разрушения резко изменяется. В области, прилегающей к обнажению, дробление и деформация среды более интенсивны, чем вглубь массива. Зто объясняется как отражением волны сжатия от свободной поверхности, так и свободой перемещения пород в направлении к обнажению (по направлению к обнажению сопротивление меньше, чем вглубь массива).

Волна сжатия, достигнув открытой поверхности, отражается и по массиву начинает распространяться отраженная волна, на фронте которой возникают растягивающие напряжения.

Волна растяжения представляет отраженную от открытой поверхности волну сжатия и распространения так, как если бы она шла от мнимого изображения заряда (рис. 4.11), величина которого одинакова с действительно взорвавшимся зарядом, а расположен он снаружи на расстоянии от открытой поверхности, равном ЛНС взорванного заряда.

Рис. 4.11 Отражение взрывных волн у обнаженной поверхности (по Г. И. Покровскому): 1 – фактический заряд; 2 – мнимый заряд; 3 – прямые волны;.4 – отраженные волны

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

Разрушения от поверхности распространяются вглубь заряда, за счет чего происходит разрушение (дробление) всего внутриво-роночного объема породы (рис.4.12).

Рис. 4.12. Схема процесса разрушения вблизи свободной поверхности: 1 – начальный заряд ВВ; 2 – зона смятия; 3 – зарядная полость; 4 – трещины, появляющиеся под действием напряжений изгиба от квазистатического давления продуктов детонации; 5 – откольные трещины, образующиеся от действия отраженной волны растяжения; 6 – раздробленная порода.

Процесс разрушения скальных трещиноватых массивов

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

Три стадии действия взрыва на горную породу (по Н.Н.Казакову)

1. Волновая. На этой стадии дробление горных пород осуществляется волнами напряжений. По оценке Казакова Н.Н. от 30 до 45% энергии заряда ВВ передается в породу на первой стадии разрушения.

2. Безволновая стадия расширения полости. Казаков Н.Н. считает, что после формирования волны напряжения развивается стадия безволнового расширения полости, заполненной продуктами детонации. Во второй стадии в породу передается от 39 до 52% энергии заряда ВВ и именно эта часть энергии совершает работу дробления основного объема горной массы.

3: Заключительная. После безволновой стадии расширения полости в продуктах детонации остается еще какая-то энергия (до 22%). Она затрачивается на перемещение отбитой горной массы, на формирование навала породы, на разлет кусков породы и газа, формирование воздушной ударной волны. Распределение энергии по стадиям зависит от свойств применяемых ВВ и свойств взрываемых пород.

Казаков Н.Н. считает, что в производственных условиях генеральное дробление горной породы осуществляется не волнами напряжений, а за счет энергии второй стадии безволнового расширения полости.

Трещины массива являются поверхностями раздела, которые препятствуют распространению волны напряжений и разрушений за пределами зоны, ограниченной этими трещинами. У поверхности каждой трещины происходит скачкообразное падение напряжений в волне за счет ее частичного отражения от трещины. За счет этого трещины оказывают экранирующее действие на волны напряжений и уменьшают разрушение отдельностей, расположенных на некотором расстоянии от заряда ВВ.

Во взрываемом трещиноватом массиве можно выделить две характерные зоны (рис. 4.13) - зоны регулируемого и практически нерегулируемого дроблений.

Рис. 4.13. Зоны дробления при взрыве скважинного заряда в трещиноватом массиве. 1 - зона регулируемого дробления; 2 - зона практически нерегулируемого дробления

В непосредственной близости от заряда все отдельности разрушаются на значительное число кусков под действием волн напряжений и давления газов взрыва. Изменяя параметры заряда ВВ, можно направленно изменять крупность дробления горной породы в этой зоне. Размеры зоны регулируемого дробления увеличиваются с увеличением диаметра заряда дискретно, т.е. на одну, две, три, разрушаемые отдельности.

За пределами зоны регулируемого дробления разрушение отдельностей, слагающих остальной объем взрываемого массива, происходит в результате динамического воздействия на него расширяющего объема породы. Разрушение отдельностей в зоне практически нерегулируемого дробления носит вероятностный характер: отдельность может разрушиться на небольшое число частей (две, три) в результате динамического удара прилегающих участков горных пород. При наличии в отдельности дефектов или не-однородностей вероятность разрушения увеличивается. Отдельность без дефектов в зоне практически нерегулируемого дробления, как правило, не разрушается.

Зона практически нерегулируемого дробления в трещиноватой среде обусловливается:

- наличием части массива, расположенной выше колонки заряда, которая преимущественно не подвергается взрывному дроблению, а разделяется на естественные отдельности при обрушении под действием собственного веса;

- относительно большим расстоянием между взрываемыми скважинами, при котором зоны дробления не соприкасаются.

Задача методов регулирования дробления состоит в том, чтобы тем или иным способом увеличить объем зоны регулируемого дробления и уменьшить или совсем ликвидировать зону практически нерегулируемого дробления, раздробить крупные отдельности в этой зоне.

Равномерное распределение энергии по разрушаемому объему позволяет уменьшить параметры зон нерегулируемого дробления каждого из зарядов. Кроме того, для снижения объема зон практически нерегулируемого дробления целесообразно применять:

- скважинные заряды малого диаметра;

- рассредоточение заряда в скважине.