Подготовка скальных пород взрывом

Под взрывом понимают процесс выделения большого количества энергии и большого объема газов за весьма короткий промежуток времени. В горной промышленности получили распространение взрывы с использованием химических взрывчатых веществ (ВВ). Выполняемые с помощью ВВ работы по разрушению твердых сред взрывом при разработке месторождений полезных ископаемых называют взрывными.

Они являются практически единственным способом подготовки к выемке скальных пород.

Для передачи максимальной энергии взрыва среде ВВ должно быть расположено, как правило, внутри массива разрушаемой породы в искусственно создаваемых полостях (рис. 3.5). Цилиндрические полости именуют шпурами или скважинами (рис. 3.5, а, б), скважины имеют диаметр более 75 мм и глубину свыше 5 м. Процесс искусственного образования в массиве шпуров и скважин называют – бурением. Для этой цели используют бурильные машины и агрегаты. Иногда нижнюю часть скважины расширяют, создавая шарообразную полость – «котел» (схема в). Для размещения крупных зарядов, масса которых превышает несколько тонн, создают специальные подземные выработки – камеры (схема г). Разрушение отдельных кусков породы ведут наружными накладными зарядами (схема д). По типу полостей получили свое название методы взрывных работ.

На карьерах наиболее распространен метод скважинных зарядов. Метод шпуровых зарядов применяют при разработке залежей незначительной мощности (до 1,5–3,0 м), при отбойке блоков облицовочного камня, для подработки подошвы уступов и разрушения крупных кусков породы. Метод котловых зарядов находит применение в тех случаях, когда расчетный заряд не размешается в скважине. Метод камерных зарядов используют при строительстве карьеров или сооружении плотин, насыпей, создании выемок для транспортных коммуникаций.

Разрушение горной породы, действием взрыва – весьма сложный процесс, характер которого зависит от многих факторов. Продукты взрыва, действуя на стенки зарядной камеры, создают в массиве нестационарное поле напряжений, скорость распространения которого зависит от физико-механических свойств и трещиноватости пород. Вблизи заряда возникают ударные волны, вызывающие разрушение горных пород и уплотнение раздробленных частиц, формирующих зоны сжатия. На расстоянии 1–5 диаметров заряда ударная волна теряет свои начальные параметры и переходит в волну напряжения, скорость перемещения которой зависит от упругих свойств и строения массива. Дробление пород происходит в результате образования радиальных трещин, распространяющихся вглубь массива и к свободной поверхности. В результате отражения волны напряжений от поверхности возникает внешняя зона дробления. Между радиальными появляются концентрические трещины (рис. 3.6), обусловленные действием отраженной волны [27].

В образовавшуюся систему трещин проникают продукты взрыва. Они завершают разрушение массива, вызывая перемещение кусков и формирование развала горной массы. Экспериментальным путем установлено, что в монолитных породах 75–88 % общего объема разрушения связано с волновыми процессами и только 12–25 % – с действием расширяющихся продуктов взрыва

При взрыве цилиндрического удлиненного заряда в массиве образуются три зоны: смятия или раздавливания, трещиноватости и упругих деформаций. Исследованиями Б.Н. Кутузова и А.П. Андриевского установлено, что радиус зоны смятия прямо пропорционален диаметру взрывной полости, давлению, развиваемому продуктами детонации применяемого ВВ и обратно пропорционален пределу прочности разрушаемого массива на сжатие.

Радиус зоны трещинообразования прямо пропорционален диаметру образующейся при взрыве зоны смятия, давлению, развиваемому продуктами детонации применяемого ВВ, отношению радиусов взрывной полости и зоны смятия и обратно пропорционален пределу прочности разрушаемого массива на срез.

Сопротивление горных пород разрушению под действием взрыва заряда ВВ называют взрываемостью пород. Она зависит от прочности, плотности, трещиноватости, упругих и пластичных свойств массива. На карьерах взрываемость пород устанавливают экспериментально. При выполнении учебных расчетов массивы горных пород можно разделить по степени взрываемости на легко-, средне- и трудновзрываемые. Каждой категории соответствуют определенный расход ВВ и параметры зарядов.

Взрывные работы должны обеспечить: требуемую кусковатость взорванной горной массы при сохранении сортности и качества полезного ископаемого; качественную проработку подошвы уступа; соответствие размеров и формы развала взорванной горной массы параметрам выемочно-погрузочного оборудования; объем взорванных пород, достаточный для бесперебойной и высокопроизводительной выемки и погрузки; высокую безопасность и экономичность горных работ.

Взрывные работы на карьерах ведут в две стадии. На первой массив горных пород разрушают (первичное дробление), на второй – измельчают негабаритные куски (вторичное дробление), выравнивают подошву уступа, ликвидируют навесы, заколы и пр.