Процесс разрушения пород при короткозамедленном взрывании зарядов

Короткозамедленным называется последовательное взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды (миллисекунды). Поэтому иногда этот метод называют миллисекундным.

Короткозамедленное взрывание (КЗВ) впервые было применено в 1934-1935 гг, инж. К.А, Берлиным при проходке вертикального ствола с целью получения в центре забоя конусообразного навала породы. С 50-х годов КЗВ начинают широко применять для сниже­ния сейсмического действия взрыва и затем для улучшения дробления (в США - с 1945 г., в Англии - с 1949 г., в СССР - с 1951 г.).

В настоящее время КЗВ является основным способом взрывания как на открытых, так и на подземных горных работах.

Обычно интервал замедления т изменяется от 10 до 75 мс, что позволяет:

- повысить использование энергии зарядов ВВ на дробление;

- снизить расход ВВ, сейсмическое действие;

- повысить безопасность и надежность взрывных работ.

При мгновенном взрывании зарядов ВВ процесс разрушения среды протекает неуправляемо.

При КЗВ каждый предыдущий взрыв заряда подготавливает оптимальные условия для разрушения горных пород последующим взрывом.

Физическийсмысл КЗВ- взрыв заряда ВВ осуществляется в момент, когда происходит процесс разрушения от предыдущего заряда; в это время горная порода находится в сложном напряженно-деформируемом состоянии. К моменту взрыва последующего заряда в массиве успевают развиться системы трещин, которые значительно облегчают работу этого заряда.

Основными параметрами, определяющими эффективность КЗВ, являются интервал замедления и последовательность разрушения горного массива. Эти параметры изменяют в зависимости от свойств взрываемых пород, задачи взрыва (дробление или выброс породы).

Получаемый при КЗВ эффект определяется следующими факторами:

- интерференцией волн напряжений от соседних зарядов;

- образованием дополнительных открытых поверхностей;

- соударением разлетающихся кусков при взрыве соседних зарядов.

При малых интервалах (до 5 мс) имеет место интерференция волн напряжений, при средних (15-200 мс) — образование дополнительных открытых поверхностей, при больших (> 200 мс) - соударение. Таким образом, все перечисленные факторы следует рассматривать как составные элементы единого процесса взаимодействия зарядов при КЗВ.

Интерференция волн напряженийпроисходит в том случае, когда направления смещения частиц от предыдущего и последующего взрывов совпадают (рис. 4.14). При этом увеличиваются сум­марные смещения, напряжения и интенсивность разрушения массива.

Рис. 4.14. Схема интерференции волн напряжений при КЗВ: 1 - прямая волна напряжения; 2 - отраженная волна

Волна напряжения (1) от заряда Q₁ распространяется до открытой поверхности и, отражаясь от нее, образует отраженную волну растяжения (2), которая распространяется вглубь массива.

Взрыв второго заряда Q₂ должен быть произведен в момент, когда волна растяжения от первого заряда будет проходить через место расположения заряда Q₂, что облегчит его действие и увеличит эффект разрушения, производимого в массиве.

При отражении волны от обнаженной поверхности она распространяется так, как будто была образована мнимым зарядом Qⁱ₁, расположенным над свободной поверхностью на расстоянии W. Требуемый интервал замедления для обеспечения интерференции волн напряжения рекомендуется определять по формуле профессора Г.И. Покровского:

где а - расстояние между зарядами, м; W - ЛНСили ЛСПП, м; v - скорость распространения волн напряжений в массиве, м/с.

При скорости распространения волн напряжений в массиве 4-5 км/с, ЛНС или ЛСПП, равных 1-8 м, время прохождения волн составляет 0,25-2 мс. Для достижения таких интервалов замедления можно использовать петли ДШ, учитывая, что отрезок ДШ длиной 6,5 м детонирует за время 1 мс.

Учитывая, что использование эффекта интерференции волн напряжений для увеличения интенсивности дробления пород требует очень точного (до 0,1 мс) подбора интервала замедления, и что скорость волн напряжений, интенсивность трещиноватости и расстояния между зарядами меняются от скважины к скважине, то использовать этот эффект в реальных условиях проведения взрывных работ весьма затруднительно до тех пор, пока не будут созданы средства, обеспечивающие взрыв заряда в момент прохождения через него волны напряжений от взрыва соседнего заряда.

Выбор интервала замедления:

1. интервал должен быть не меньше времени начала трещинообразования.

2. Должно быть не меньше, не больше времени сдвижения пород на расстояние 5-10 см.

А) исключается взаимодействие заряда.

Б) используется напряженное состояние массива.

В) используется, когда куски от первого заряда додрабливаются от действия другого.

С замедлением желательно взрывать не только отдельные заряды, но и ряды зарядов на карьерах. Таким образом, время разрушения складывается. T1- время вовлечения массива в напряженное состояние (1-2 мсек). T2 – продолжительность трещинообразования в плоскости воронки смещения (14-20 мсек). T3 – время частичного выброса породы из призмы на расстояние 5-10 см. (8-12 мсек). Сумма tзам. Равна 23-34 мсек. при однорядном и 30-45 мсек при многорядном. При диаметре заряда равном 105 мм замедления равны 7-20 мсек. Волновые процессы после взрыва шпурового заряда массой 1 кг. Завершаются за 4-6 мсек, а сдвижение массива происходит через 4-10 мсек.

Картина воздействия взрыва зависит от количества взрываемых зарядов, интервала времени.

Образование дополнительных открытых поверхностей.Заряды, взрывающиеся первыми, создают в массиве дополнительную открытую поверхность (поверхности), которая увеличивает эффект разрушения, так как обеспечивает образование в массиве дополнительных отраженных волн растяжений. Все это ослабляет массив и облегчает его окончательное разрушение давлением газов взрыва.

С увеличением числа открытых поверхностей массива у взрываемого заряда объем разрушения увеличивается примерно пропорционально их числу (рис. 4.15), так как взрыв с точки зрения разрушения происходит в более благоприятных условиях.

Рис. 4.15. Увеличение разрушительного действия взрыва с увеличением числа открытых поверхностей

Дробление породы всегда происходит с увеличением ее первоначального объема при смещении его в сторону открытых поверхностей. При недостаточной ширине щели разрушение будет затруднено, так как не успевшая сдвинуться на достаточную величину после первого взрыва порода будет оказывать дополнительное сопротивление следующему взрыву. Поэтому ширина пространства между нарушенной и ненарушенной частями массива должна быть пропорциональна ЛНС и минимальному коэффициенту разрыхления данной породы для достижения ее дробления.

Необходимая ширина пространства для получения открытой поверхности по данным опытов должна быть в пределах (1/20-1/30) W.

Схема разрушения массива при образовании дополнительных открытых поверхностей показана на рис. 4.16.

Рис. 4.16 Схема образования дополнительных открытых поверхностей при короткозамедленном взрывании: 1 - заряды, взрываемые мгновенно; 2 - заряды, взрываемые с замедлением