Экспериментальное исследование работы локализаторов взрыва отдельных скважин на полигоне

Экспериментальные взрывы отдельных скважинных зарядов с укрытием из изношенных автомобильных шин производились в течение 2005;2009 гг. в Корфовском карьере, в карьере Теплоозёрского цементного завода, а также при строительстве федеральной автодороги № 58 «Амур» в районе Теплоозёрска. Горные породы представлены доломитами VIII категории крепости, известняками VIII категории крепости и гранодиоритами IX категории крепости по СНиП.

Видеосъёмки взрывов осуществляли цифровыми видеокамерами типа NV-GS25, по кадрам видеосъёмки составляли видеограммы взрывов.

При проведении полигонных испытаний в карьере цементного завода произведена серия экспериментальных взрывов, каждый из которых состоял из двух или трёх отдельных скважин, взрываемых одновременно в известняках VIII категории крепости по СНиП.

Все скважины для экспериментальных взрывов имели равные параметры: диаметр 110 мм и глубину 1,6 м, располагались на расстоянии 4−6 м друг от друга. Скважины сухие, ВВ — аммонит АПВ высыпали из патронов, (Ьоомиоуя заряды массой по 1. 2. 3. 4 или 5 кг в скважине, в зависимости от цели каждого экспериментального взрыва. Во всех скважинах, кроме скважин 5-ого взрыва использовали засыпную забойку длиной около 1,4 м (12,8 диаметра скважины). Над скважинами поверх сетки «Рабитца» размером 1,4×1,4 м размещали укрытие из автомобильных шин карьерных БелАЗов. Использовали шины с приблизительно одинаковыми параметрами: масса т — 280 кг; толщина h — 0,5 м; радиус внешний R — 0,8 м; радиус внутренний г = 0,3 м. Шины связывали друг с другом капроновыми фалами диаметром 8 мм в разных комбинациях по 3,4 или 5 шин.

На рис. 3.9. — 3.12. показано развитие отдельных взрывов с различными массами зарядов.

У скважин №№ 1−4 укрытие состоит из трёх шин, у скважины № 5 из четырёх, связанных по бокам (без центральной шины), у скважины № 6 — из четырёх с центральной шиной.

Рис. 3.9. Развитие взрывов в скважинах № 1 (1 кг), № 2 (2 кг), № 3 (5 кг).

Рис. 3.10. Развитие взрыва в скважине № 4 (3 кг). Укрытие — 3 шины.

Рис. 3.11. Развитие взрыва в скважине № 5 (3 кг).

Рис. 3.12. Развитие взрыва в скважине № 6 (4 кг).

После взрыва и уборки шин укрытия были измерены радиусы видимых воронок взрыва, рассчитаны их объёмы. В скважинах № 1, 2, 5 — взрывы рыхления, это определено по видимым воронкам взрывов и их схемам (рис. 3.13, 3.14), а в скважинах № 3,4,6 — взрывы на выброс.

По видеосъёмке экспериментальных взрывов видно, что при взрывах рыхления подброс укрытия происходит компактно, выброса кусков породы не происходит, вертикальные координаты центров тяжести шин (высота подброса) отличаются незначительно, для шин укрытия, не имеющего центральной шины, их движение можно рассматривать как плоскопараллельное в плоскости, проходящей через ось скважины и центр тяжести шины.

Рис. 3.13. Параметры воронок взрыва скважин под укрытием 840 кг (три шиньО.

Рис. 3.14. Параметры воронок взрыва скважин под укрытием 1 120 кг (четыре шины).

При взрывах на выброс подброс шин укрытия более хаотичен, это закономерно, так как при взрывах на выброс укрытия не используют.

По видеограммам взрывов определили для каждой скважины координаты центров тяжести шин укрытия (высота подброса центра тяжести шины) от начала движения шины с интервалом 80 мс. Координату центра масс укрытия (механической системы) Zc считали по формуле (3.8), ибо массы шин равны.

По значениям высот подброса центра масс укрытия в разные моменты времени построены графики движения укрытия для скважин № 1,2, 4, 5, 6 при разных массах зарядов ВВ и массах укрытия (рис. 3.15).

Анализ графиков показывает, что при одинаковой глубине скважин высота подброса укрытия в значительной мере зависит от массы заряда и резко возрастает при переходе от взрыва рыхления к взрыву на выброс. При массе укрытия 840 кг (из трёх шин, масса каждой 280 кг) заряды ВВ массой 1 и 2 кг дают взрыв на рыхление, 3 кг — на выброс (рис. 3.16).

В последнем случае высота подброса в 2,5 раза больше, чем при заряде 2 кг, и в 12,5 раз больше, чем при заряде 1 кг.

Рис. 3.15. Динамика перемещения центра масс укрытия.

Для укрытия массой 840 кг (три упругих элемента):

1 — масса заряда ВВ 1 кг; 2 — масса заряда ВВ 2 кг; 3 — масса заряда ВВ 3 кг.

Для укрытия массой 1 120 кг (четыре упругих элемента):

4 — масса заряда ВВ 3 кг; 5 — масса заряда ВВ 4 кг Сравнение схем воронок скважин № 4 и № 5 (см. рис. 3.14), показало, что взрыв на выброс за счёт увеличения массы укрытия можно перевести во взрыв на рыхление. Например, при заряде 3 кг ВВ под укрытием из трёх шин (840 кг) был взрыв на выброс, увеличив массу укрытия на одну шину (1 120 кг), получили взрыв рыхления. При этом высота подброса укрытия из трёх шин в 4,5 раза больше, чем у укрытия из четырёх шин при той же массе и глубине заложения заряда. Это говорит о том, что масса укрытия положительно влияет на перераспределение энергии взрыва, увеличивая долю энергии, идущую на рыхление (воронка рыхления больше) и уменьшая — на подброс разрыхленной породы и укрытия. Для подтверждения этого положения определены ударные импульсы, действующие на укрытие.

По видеограммам полигонных взрывов определены значения начальной скорости укрытия V_c.^ для каждой скважины. Ударный импульс, сообщивший укрытию начальную скорость V_C!Q, рассчитан по зависимости.

(3.10). По полученным данным построены графики зависимости ударного импульса от массы заряда ВВ при разных массах укрытия (рис. 3.16, а) и от отношения массы укрытия к массе заряда (рис. 3.16, б).

Рис. 3.16. Зависимость ударного импульса S уд: а — от массы заряда; б — от отношения массы М_у укрытия к массе заряда Q.

Видно, что при увеличении массы заряда ВВ (при одинаковой глубине заложения) возрастает ударный импульс, действующий на укрытие. При этом при одинаковой массе заряда ВВ действующий на укрытие из трёх шин ударный импульс почти в 2 раза больше, чем на более массивное укрытие из четырёх шин. Это подтверждает положительное влияние массы укрытия на увеличение доли энергии взрыва на рыхление.

Очевидно, что с увеличением отношения массы М_у укрытия к массе заряда Q величина ударного импульса S^ для сосредоточенных зарядов ВВ снижается (см. рис. 3.16, б). Из графика можно сделать вывод, что взрывы на рыхление происходят при ударных импульсах менее 6 000 кгм /с, при больших — взрывы на выброс.

Используя данные, полученные для взрывов на рыхление, и учитывая, что для сосредоточенных зарядов рыхления, выполняемых согласно рекомендациям Союзвзрывпрома, показатель действия взрыва не меняется, по формуле (3.17) был определён удельный ударный импульс и составлена.

Таблица 3.1

Ударные импульсы, действующие иа укрытие при разных глубинах заложения сосредоточенного заряда Глубина заложения заряда W, м.

Значения ударных импульсов получены для скважин с засыпной забойкой, имеющих одну свободную поверхность, у которых функция показателя действия взрыва согласно (3.18) равна 0,33, и могут быть использованы на практике для определения массы укрытия взрывной скважины с сосредоточенным зарядом ВВ.

Для определения ударного импульса, действующего на укрытие для удлинённых зарядов рыхления, выполняемых согласно рекомендациям Союзвзрывпрома, использовали данные экспериментальных взрывов, проведённых при полигонных испытаниях 27.07.07. в выемке строящейся федеральной автодороги «Амур». Горные породы представлены доломитами VIII категории крепости по СНиП. Экспериментальный участок был обурен пятью скважинами диаметром 110 мм и глубиной 2 м. Скважины расположены произвольно (рис. 3.17), ВВ — патронированный аммонит АПВ.

Заряд каждой скважины составлял 5 кг и занимал 0,65−0,7 м длины скважины. Длина забойки во всех скважинах принята одинаковой — 0,8 м, пространство между забойкой и зарядом заполняли вспененным полистиролом. На каждую скважину была уложена шина, по времени полёта которой (время от момента подброса шины до её падения на поверхность) определяли начальную скорость шины и ударный импульс, действующий на укрытие.

Рис. 3.17. Развитие взрывов отдельных удлинённых скважинных зарядов.

На основании экспериментальных данных были определены ударные импульсы, действующие на шины. Для определения влияния глубины заложения (глубины скважины) удлинённого заряда рыхления на ударный импульс, действующий на укрытие, использовали данные по массовому взрыву, проведённому 12.04.07. в скважинах глубиной 6 м с массой заряда 18,6 кг (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Подброс отдельной шины укрытия.

При монтаже укрытия одна из шин была некачественно увязана с остальными в при формировании единого мата. При взрыве блока шина оторвалась и была подброшена на большую высоту, на кадре 680 мс виден взлёт, а на кадре 2 840 мс — падение шины на блок. Все остальные шины укрытия подброшены одинаково на значительно меньшую высоту.

Анализ значения ударных импульсов при глубине скважины 2 и 6 м позволяет заключить, что для удлинённых зарядов рыхления глубина скважины практически не влияет на величину ударного импульса, действующего на шины укрытия. Значения ударного импульса лежат в пределах 9,34×10³— 9,72×10³ кг м/с.

Для определения влияния забойки на ударный импульс, действующий на укрытие, была проведена серия экспериментальных взрывов отдельных скважинных зарядов одинаковой массы ВВ и глубины заложения с разными забойками.

Развитие взрывов по скважинам № 7−9 показаны на рис. 3.19, по скважине № 4 — см. рис. 3.10. Укрытие всех скважин одинаковое — три шины. В скважине № 7 взрыв произведён без забойки; № 4 — засыпная забойка длиной 1,4 м (12,8 диаметра скважины); № 8 — бетонная забойка длиной 0,6 м над воздушным промежутком из пенополистирола; № 9 — комбинированная бетонно-засыпная забойка.

Рис. 3. 19. Развитие взрыва в скважинах № 7−9 с разными забойками под укрытием.

На рис. 3.20 — фотографии и схемы видимых воронок взрывов.

По видеграммам взрыва были измерены высоты подброса укрытия в разные моменты времени и определены начальные скорости движения.

Рис. 3.20. Видимые воронки взрывов и их схемы скважин № 7 (3 кг), № 8 (3 кг), № 9 (3 кг).

Данные экспериментальных взрывов показывают, что наименьшая воронка разрушения получается при взрыве без забойки, наибольшая — при комбинированной бетонно-засыпной забойке. Энергию взрыва, массу укрытия и крепость пород для всех четырёх взрывов можно считать одинаковыми, поэтому различие в параметрах воронок взрыва и величине подброса зависит от параметров забойки зарядов.

Таблица 3.2

Ударные импульсы, действующие на укрытие при разных глубинах заложения удлинённого заряда н конструкциях забойки, кг’м/с

Сравнивая параметры перемещения укрытия из автошин (рис. 3.21) можно сделать ряд заключений.

Рис. 3.21. Динамика перемещения укрытия во времени при различных типах забоек: 1 — без забойки: 2 — засыпная забойка; 3 — бетонная забойка;

4 — комбинированная забойка.

Забойка скважин в значительной мере влияет на распределение энергии взрыва на рыхление и на выброс породы. Чем дольше удерживается забойка в скважине, тем большая доля энергии взрыва идёт на дробление горной породы, и меньшая — на её выброс. Это подтверждают и графики зависимости высоты подброса укрытия от времени (рис. 3.21) и гистограммы ударных импульсов, действующих на укрытие (рис. 3.22) при разных видах забоек скважин.

Рис. 3.22. Ударные импульсы, действующие на укрытие при различных типах забоек.

Наименьшая высота подброса, а, следовательно, и наименьший ударный импульс, действующий на укрытие, выявлен при взрыве без забойки. Это связано с тем, что продукты взрыва, произведя удар по стенкам зарядной полости, не задерживаясь, вырываются в атмосферу, не участвуя в дальнейшей работе взрыва.

Наибольшая высота подброса и соответственно наибольший ударный импульс на укрытие при засыпной забойке, это объясняется тем, что, согласно воронке разрушения, — это взрыв на выброс.

Бетонная забойка достаточно надёжно запирает продукты детонации зарядов, но в случае бетонной забойки над воздушным промежутком значительная часть энергии взрыва идёт на перемещение укрытия с горной массой — высота подброса достигает 2,7−3,0 м, против 1,5−1,7 му комбинированной забойки, т. е. почти вдвое больше. Следует отметить и весьма небольшую величину выброса горной массы из воронки разрушения — её глубина всего лишь 0,2 м. Следовательно, основная энергия запертых комбинированной забойкой газов взрыва пошла именно на дробление горной массы и меньшая часть — на подброс укрытия и выброс горной массы.

Таким образом, комбинированная бетонно-засыпная забойка существенно увеличивает долю энергии на дробление. Высота подброса горной массы с пригрузкой массой около 0,9 т снижается в 1,80 раза против бетонной забойки. Объём воронки разрушения увеличивается в 1,28 раз по сравнению с бетонной забойкой, 1,86 раза по сравнению с засыпной и в 2,04 раза — против взрыва без забойки.

Коэффициент, для засыпной забойки принят равным единице, для остальных забоек значения поправочного коэффициента определены по отношению к засыпной забойке. Полученные для данного вида горных пород (известняки VIII категории крепости по СНиП) значения к, приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Значения коэффициента ki, учитывающего влияние типа забойки на ударный импульс.

(для известняков VIII категории крепости по СНиП).

Известно, что большое влияние на процесс разрушения горных пород взрывом имеет наличие свободных поверхностей массива. Дополнительные открытые поверхности обеспечивают образование в массиве дополнительных отражённых волн растяжения, что увеличивает эффект разрушения, ослабляет массив и облегчает окончательное разрушение давлением газов взрыва Сдвижение породы при её разрушении происходит в сторону открытых поверхностей. Объём разрушения у взрываемого заряда увеличивается примерно пропорционально числу открытых поверхностей массива, т. к. взрыв с точки зрения разрушения происходит в более благоприятных условиях.

При проведении взрывных работ под укрытием в наиболее жёстких условиях находится укрытие при взрывании скважин с одной свободной.

¹ Кутузов Б. Н. Указ. соч.

поверхностью (рис. 3.23, а). Если взрыв скважины производится на уступе, где массив имеет две свободные поверхности (рис. 3.23, б), то при тех же параметрах заряда вертикальный ударный импульс, действующий на укрытие, значительно уменьшается. Это связано с тем, что сдвижение пород и выброс кусков происходит преимущественно в сторону откоса.

Величина вертикального ударного импульса, действующего на укрытие, будет зависеть от расположения скважины на уступе. Для удлиненных зарядов положение скважины на бровке уступа определяется предельным сопротивлением по подошве (ЛСПП), превышение которого сопровождается некачественным взрывом. Для одиночной скважины сопротивление по подошве уступа можно определить по формуле С. А. Давыдова (3.23) или согласно рекомендациям Союзвзрывпрома по формуле (3.24).

где W_cnn — линия сопротивления по подошве уступа, м; к_т — коэффициент трещиноватости, для монолитных пород к_т= 1, для трещиноватых к_т =1,1, для сильнотрещиноватых к_т = 1,2; D — диаметр скважины, м; у_ы- плотность заряда ВВ кг/дм³; у- плотность пород т/м³; к^~ коэффициент работоспособности ВВ (по отношению к граммониту 79/21).

Рис. 3.23. Схемы расположения скважин: а- с одной свободной поверхностью; б- на уступе с двумя свободными поверхностями.

где W_cnn — сопротивление по подошве уступа, м; V^ - вместимость ВВ в 1 погонном метре скважины, кг/м; q_p — проектный расход ВВ кг/м³.

Для серии зарядов, расположенных в один или несколько рядов вследствие взаимодействия соседних зарядов величина преодолеваемой ЛСПП возрастает. Степень взаимодействия зарядов зависит от расстояния между ними и интервала замедления.

Для ряда скважин с учётом взаимодействия зарядов линию сопротивления по подошве уступа можно определить по формуле.

где 7, — коэффициент заполнения скважин; т_л - ^ - коэффициент сбли;

п

жения скважин.

Или, согласно справочнику, по формуле.

где — предельное значение ЛСПП для одиночной скважины, определяемое по формулам (3.23) или (3.24), которые справедливы при т_сб < 1,2.

Кроме того, ЛСПП проверяется из условия безопасного ведения работ на уступе по формуле

где Н_у — высота уступа, м; р_у — угол откоса уступа, град.; с_у- допустимое расстояние от оси скважин до верхней бровки уступа, м.

Таким образом, при определении вертикального ударного импульса, действующего на укрытие, необходимо ввести коэффициент к₂> учитывающий наличие дополнительной открытой поверхности.

Для определения коэффициента к₂ произвели экспериментальный взрыв отдельных скважинных зарядов на уступе в горных породах, представленных известняками VIII категории крепости по СНиП. Высота уступа 10 м; все скважины диаметром 100 мм, глубиной 11,4 м. Скважины сухие, заряд 60 кг граммонита 79/21. Забойка скважин № 1 и 2 засыпная.

¹ Открытые горные работы. Справочник / К. Н. Трубецкой, М. Г. Потапов, К. Е. Винницкий [и др.]. М. 1994. 590 с.

сухие, заряд 60 кг граммонита 79/21. Забойка скважин № 1 и 2 засыпная длиной 5,2 и 1,4 м соответственно, у остальных скважин забойки комбинированные бетонно-засыпные длиной 0,6 м с воздушным промежутком из пенополистирола. Скважины № 1−4 пробурены на расстоянии 2 м от бровки уступа, № 5 — на расстоянии 3 м, № 6 — 4 м. Расположение скважин и развитие взрывов показаны на рис 3.24.

Рис. 3.24. Расположение скважин и развитие взрывов отдельных скважинных зарядов на уступе.

По кадрам видеосъёмки взрыва были измерены высоты подброса шин в разные моменты времени и определены начальные скорости движения шин, а также и вертикальные ударные импульсы, действующие на укрытие (шину). По полученным данным для скважин № 3−6 с одинаковыми забойками построены графики зависимости высоты подброса шины от времени (рис. 3.25) и гистограммы вертикальных ударных импульсов, действующих на укрытие (шину) (рис. 3.26).

Рис. 3.25. Динамика перемещения укрытия во времени при различных расстояниях от оси скважины до верхней бровки уступа:

/ -2 м; 2−2 м; 5- 3 м; 4−4 м.

Рис. 3.26. Ударные импульсы, действующие на укрытие при различных расстояниях от оси скважины до верхней бровки уступа.

На гистограмме для сравнения показан ударный импульс, действующий на укрытие при взрыве скважинного заряда с одной свободной поверхностью. Для таких скважин коэффициент к₂ = 1. Из графиков и гистограмм видно, что у скважин, расположенных в 2 и 3 м от верхней бровки уступа, влияние дополнительной свободной поверхности практически одинаковое (коэффициент к₂ =0,3). При расстоянии 4 м (скважина № 6) влияние дополнительной свободной поверхности меньше (^ =0,59).

С помощью полученных экспериментальных данных проведено исследование влияния пригруза, расположенного на откосе уступа, на величину вертикального ударного импульса, действующего на укрытие скважины. При этом определялись вертикальные ударные импульсы, действующие на крайний ряд шин укрытия, расположенного на расстоянии 2 м от бровки уступа. При прочих равных условиях величина ударного импульса, действующего на шину укрытия от взрыва скважинного заряда, при свободном откосе составляла S? = 2,91×10³ кг-м/с, при наличии шин пригруза на откосе — S" = 3,21×1с)³ кг-м/с. Это объясняется тем, что шины, расположенные на откосе, создавая давление на уступ, уменьшают влияние дополнительной свободной поверхности, увеличивая вертикальный ударный импульс, действующий на укрытие. В расчётах это учитывается коэффиSу⁶

циентом к_п = -^- = МТаким образом, если при взрывании скважин на уступе откос пригружен укрытием из упругих элементов, коэффициент к₂, учитывающий влияние дополнительной свободной поверхности для крайнего ряда скважин, умножается на 1,1.