Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Анализ методов управления энергией взрыва при разрушении горных пород 12
1.2. Оценка влияния параметров БВР на гранулометрический состав горной массы 25
1.3 Анализ расчетных методов прогнозирования гранулометрического состава взорванной горной массы. 40
1.4. Цель и задачи исследования 50
2 Исследование влияния взрывных нагрузок различной интенсивности на дробление горной массы 51
2.1. Факторы, определяющие потенциальную работоспособность эмульсионных ВВ 51
2.2. Результаты моделирования расчета газодинамических параметров в скважине при взрыве 60
2.3. Выбор рациональных конструкций зарядов ВВ для получения заданного качества дробления горной массы 71
2.4. Выводы 75
3. Влияние диаметра заряда и типа ВВ на формирование зоны разрушения и гранулометрический состав взорванной горной массы 76
3.1. Выбор математической модели для исследования влияния газодинамических процессов в зарядной камере на формирование зон дробления в горной породе. 76
3.2. Влияние газодинамического состояния продуктов взрыва в скважине на характер разрушения горных пород . 86
3.3. Лабораторные исследования влияния диаметра заряда и типа ВВ на фракционный состав разрушенной горной массы 93
3.4. Выводы 101
4 Опытно - промышленные исследования взрывной подготовки горной массы зарядами эмульсионных ВВ с заданными параметрам заряда для условий карьера ЗАО «Каменногорское КУ» 102
4.1. Методика проведения производственного эксперимента взрывов с использованием эмульсионных ВВ с заданными параметрами заряда. 102
4.2 Производственные испытания в условиях карьера ОАО «Каменногорское КУ» . 116
4.3. Экономические показатели эффективности взрывных работ при применении эмульсионных ВВ с заданными параметрами. 131
4.4. Выводы 133
Заключение 134
Литература 136
- Оценка влияния параметров БВР на гранулометрический состав горной массы
- Результаты моделирования расчета газодинамических параметров в скважине при взрыве
- Влияние газодинамического состояния продуктов взрыва в скважине на характер разрушения горных пород
- Производственные испытания в условиях карьера ОАО «Каменногорское КУ»
Введение к работе
Актуальность работы. Качество взрывоподготовки горной массы существенно влияет на экономику предприятий и как следствие, ставит задачу выбора оптимальных параметров буро – взрывных работ (БВР), технологий и способов взрывания зарядов, выбор средств инициирования, особенно при применении эмульсионных взрывчатых веществ.
Наибольшее распространение получил способ отбойки полезного ископаемого скважинными зарядами. В настоящее время стремительное наращивание объемов добычи полезного ископаемого объективно определило тенденцию к применению более тяжелых станков для бурения, что неминуемо приводит к увеличению диаметра скважин и ухудшению качества взрывоподготовки.
С другой стороны, увеличение контактной поверхности заряда со стенкой взрывной камеры улучшает процесс энергопередачи от заряда породе. Именно за счет увеличения контактной поверхности и увеличения энергопередачи можно эффективно регулировать действие взрыва в зоне регулируемого дробления.
Значительный вклад в исследование процессов разрушения горных пород, регулирование газодинамических параметров в скважине и распространения волны напряжений в массиве горных пород при взрыве зарядов ВВ внесли: Адушкин В.В., Родионов Н.Ф., Боровиков В.А., Ванягин В.А., Кутузов Б.Н., Баум Ф.А., Белин В.А., Парамонов Г.П., Менжулин М.Г. и др.
Применение эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) позволило повысить технико – экономическую эффективность взрывных работ за счет низкой стоимости, полной механизации приготовления ЭВВ, транспортирования, заряжания. Несмотря на широкое применение ЭВВ для разрушения горных пород и проведение научных исследований отечественными и зарубежными учеными, целый ряд вопросов остается еще недостаточно изученными. Например, не установлена связь переменной плотности ЭВВ по колонке заряда и соответственно удельного энерговыделения ВВ с формированием гранулометрического состава взорванной горной массы, законами разрушения и др. Недостаточно обоснованы подходы к расчету параметров зарядов при взрывной отбойки с применением ЭВВ.
Цель работы. Повышение эффективности работы предприятий за счет получения рационального качества дробления горной массы на основе выбора оптимальных параметров зарядов эмульсионных взрывчатых веществ.
Идея работы. Управление параметрами взрывного импульса и получение заданного дробления горной массы следует проводить на основе учета уменьшающегося давления продуктов детонации в зарядной полости, плотности и массы ЭВВ.
Основные задачи работы:
анализ современных методов управления энергией взрыва эмульсионных ВВ при разрушении горных пород;
исследование влияния параметров зарядов эмульсионных ВВ на качество дробления горной массы;
управление полем напряжений на основе изменений параметров газодинамического состояния продуктов взрыва в зарядной камере;
разработка методики расчета параметров БВР при использовании эмульсионных ВВ, обеспечивающих заданную степень дробления горной массы.
Научная новизна работы:
Установлены закономерности изменения скорости детонации скважинного заряда эмульсионного ВВ в зависимости от его диаметра, плотности и свойств горного массива.
Установлены зависимости влияния диаметра заряда и плотности эмульсионного ВВ на средневзвешенный кусок взорванной горной массы.
Защищаемые научные положения:
1. Управление динамическим воздействием продуктов детонации в зарядной полости на горный массив при взрыве удлиненного заряда следует осуществлять на основе учета изменяющейся плотности ЭВВ по длине заряда и его массы.
2. Для повышения эффективности дробления горных пород взрывом следует учитывать удельную контактную поверхность удлиненного скважинного заряда.
3. Параметры БВР, обеспечивающие заданный гранулометрический состав взорванной горной массы, должны рассчитываться с учетом динамического нагружения массива при изменении диаметра заряда и свойств эмульсионного ВВ.
Методы исследований. Основаны на современном представлении о механизме разрушения горных пород взрывом, теории горения и детонации ВВ и базируются на применении комплексного исследования процесса детонации эмульсионных ВВ, включающего анализ научно – технической литературы, численное моделирование газодинамических процессов в зарядной полости, а также лабораторные и промышленные испытания.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом проанализированной литературы и обобщенной информации в области взрывного дела отечественных и зарубежных исследований, использованием современных представлений физики и механики в области регулирования газодинамических параметров в зарядной полости и волны напряжения в массиве в зависимости от диаметра заряда, градиента плотности по оси скважины и других свойств эмульсионного ВВ, хорошей сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных экспериментов и опытно - промышленных взрывов, выполненных в условиях производства ЗАО "Каменногорское КУ".
Практическая значимость работы:
Научно-обоснованная методика расчета параметров БВР при применении эмульсионных ВВ, обеспечивающих заданное качество дробления горной массы.
Разработаны рекомендации использования эмульсионных ВВ с различными энергетическими свойствами при проектировании взрывных работ на карьерах Ленинградской области.
Личный вклад автора. Заключается в сборе и анализе данных отечественных и зарубежных исследований; постановке цели и задач исследований; руководстве и непосредственном участии в теоретических и экспериментальных исследованиях; обработке полученных данных на ЭВМ при проведении численных расчетов; обобщении и анализе полученных результатов, разработке практических рекомендаций.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на карьерах ЗАО "Каменногорского комбината нерудных материалов" при проведении массовых взрывов. Научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении курсов лекций по дисциплинам: "Технология и безопасность взрывных работ", "Теория детонации ВВ", "Промышленные взрывчатые вещества".
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодном симпозиуме "Неделя горняка - 2012" (МГГУ, Москва, 2012), на ежегодных научных конференциях молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" 2009 - 2012 г. (СПГГУ, г. Санкт-Петербург).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 научные работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено положительное решение на один патент.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 146 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 102 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.П. Парамонову, развитие идей которого, помощь и постоянное внимание способствовали успешному выполнению работы, а также признательность сотрудникам кафедры "Взрывное дело" за практические советы при написании диссертации.
Оценка влияния параметров БВР на гранулометрический состав горной массы
На основе экспериментов установлено, что все методы регулирования дробления можно разделить в зависимости от диапазона их влияния на два класса: параметры 1 класса - диаметр заряда, величина с.п.п, расстояние между зарядами, длина и масса заряда - взаимосвязаны между собой через расчетный удельный расход ВВ. Основными из них являются расчетный удельный расход ВВ и диаметр заряда, остальные параметры производные и зависят от величины расхода ВВ. Изменение одного из параметров влечет за собой изменение остальных, которые могут повлиять на результат взрыва.
Изменяя параметры 1 класса, можно достигать желаемого дробления пород любой категории. Возможности регулирования дробления параметрами И класса чаще находятся в пределах точности опыта (10-15) %, поэтому их количественная оценка на современном этапе развития науки о взрыве практически невозможна. Рассмотрим физическую сущность регулирования дробления горных пород каждым параметром.
Для разрушения определенного объема породы до определенной крупности требуется затратить определенное количество энергии [47, 55, 5, 3]. С увеличением степени измельчения удельный расход энергии (энергоемкость) увеличивается. Такая же зависимость, известная из основных законов механического дробления, справедлива и для взрывного дробления. Однако существует отличие механического дробления от взрывного. Механическое дробление имеет двустороннюю схему приложения сил, а взрывное (за исключением дробления негабарита накладным зарядом) и взрывания в зажатой среде - одностороннюю.
При механическом дроблении сам процесс имеет место, как правило, с отдельными кусками, при взрывном - с массивом пород значительных размеров. Трещины и неоднородности при механическом дроблении облегчают разделение крупных кусков и уменьшают удельную энергоемкость. При взрыве трещины экранируют распространение энергии, уменьшают возможность дробления и в некоторых случаях требуют увеличения удельного расхода ВВ для достижения требуемого дробления.
Чем меньше диаметр заряда, тем меньше сопротивление по подошве, тем меньше вероятность экранирования распространения энергии взрыва трещинами.
При увеличении удельного расхода ВВ сначала происходит более интенсивное увеличение степени дробления массива, а затем наступает так называемое состояние насыщения массива энергией взрыва, когда последний не может поглотить большего количества энергии, и она расходуется бесполезно. Изменение интенсивности дробления при этом снизится. Выбор рационального расхода ВВ - это технико - экономическая задача, решаемая на основе подсчета конечной стоимости добычи полезного ископаемого по всем процессам. Однако в большинстве случаев следует стремиться при взрыве к получению выхода негабарита, близкого к нулю.
Современные тенденции на карьерах характерны увеличением расходов ВВ с 0,4 - 0,5 до 0,7 - 0,8 кг/м3 и более, так как это в конечном счете позволяет путем улучшения дробления улучшить технико -экономические показатели работы погрузочно - транспортного оборудования и карьера в целом. Кроме того, с увеличением глубины карьеров, как показывают наблюдения, блочность пород увеличивается, что требует для качественного дробления увеличенных расходов ВВ в сочетании с применением наклонных скважин уменьшенного диаметра (100 - 150 мм).
Практикой установлено, что для каждой категории пород существует линейная зависимость вида W = kd, угол наклона которой определяется крепостью (к) и блочностью (d). С увеличением крепости породы наклон прямой уменьшается, показатель удельного расхода ВВ допускает, что с увеличением диаметра заряда процент выхода крупных фракций при взрыве увеличивается. Это происходит потому, что с увеличением W все больший процент отдельностей, слагающих массив, будет при взрыве попадать в зону практически нерегулируемого дробления. Уменьшив диаметр заряда, можно достигнуть положения, при котором все отдельности попадут в зону регулируемого дробления. Поэтому диаметр заряда относится к одному из наиболее мощных параметров регулирования степени дробления. При меньших диаметрах зарядов, кроме того, уменьшаются заколы за линию зарядов вглубь массива, уменьшается относительный объем переизмельчения породы вокруг заряда и происходит распространение энергии по массиву с меньшим затуханием. Однако на некоторых предприятиях при уменьшении диаметра заряда с 200 до 100 мм (например, крупноблочных карьера) не было получено существенного снижения выхода негабарита. Это объясняется тем, что в настоящее время стоимость обуривания массива скважинами уменьшенного диаметра значительно выше. Поэтому на практике имеется тенденция расширить сетку скважин при меньшем диаметре, т.е. увеличить отношение W/d, что ведет в крупноблочных породах к ухудшению дробления.
Важным является правильный выбор коэффициента сближения скважин m = a/W. Работами, выполненными Союзвзрывпромом, показано, что с увеличением m от 0,6 до 1 при средних удельных расходах ВВ дробления пород не ухудшается, а в ряде случаев даже улучшается вследсвие более полного заполнения скважины ВВ и уменьшения длины забойки. Поэтому в настоящее время применяют m = 0,8 - 1 при однорядном взрывании. При многорядном расположении зарядов по квадратной сетке благодаря диагональной схеме коммутации взрыва скважин m увеличивается до двух (аф/\ф), а заряды взрываются в шахматном порядке. В результате этого степень дробления породы значительно улучшается.
Снижение затрат при отбойке целесообразно проводить в первую очередь по наиболее высоким статьям затрат на буровзрывные работы. С увеличением крепости пород с f = 6 до f = 16-18 затраты на бурение растут значительно быстрее (примерно в 10 раз), чем затраты на взрывание (примерно в 2 раза).
При этом в породах ниже средней крепости взрывные работы составляют 70 % общих расходов на отбойку, а в крепких, наоборот, затраты на буровые работы являются основными в стоимости отбойки. Поэтому в породах ниже средней крепости f = 7 основное внимание следует уделять снижению расходов на взрывание (применение дешевых ВВ). В крепких породах f 14 - 16 основное внимание надо уделять снижению стоимости буровых работ (применение более производительных способов бурения, большого диаметра скважин, лучшего качества инструмента и т.д.).
Замена в крепких породах дешевых ВВ на более мощные с высокой объемной концентрацией энергии, но и более дорогие, может быть вполне целесообразна, если вследствие этого можно получить большее снижение стоимости обуривания массива и отбойки породы. При таком подходе снижение стоимости отбойки будет происходить более интенсивно при сохранении хорошего качества взрыва.
Современное состояние изученности вопроса не позволяет дать теоретическое решение и обосновать выбор диаметра заряда. Поэтому следует пользоваться данными практического опыта применительно к конкретным задачам. В частности:
1. В породах 1 - 11 категории трещиноватости диаметр заряда должен выбираться возможно большим (250 - 350 мм) и ограничивается лишь технологическими возможностями предприятия.
2. В породах 111 категории, а также в однородных породах IV категории при возможности применения многорядного короткозамедленного взрывания предпочтительнее диаметры 200 - 250 мм.
3. В породах крупноблочных V категории, а также неоднородных и часто перемежающихся породах IV категории следует уменьшать применяемый диаметр до 100 - 150 мм.
С увеличением глубины карьеров происходит существенное изменение и усложнение условий взрывания, которое заключается в следующем: с увеличением глубины разработки на многих месторождениях породы становятся более крупноблочными и трудновзрываемыми; увеличивается обводненность скважин; уменьшается ширина рабочих площадок уступов; ухудшается устойчивость бортов карьеров и, следовательно, увеличивается опасность сейсмического воздействия взрывов.
Результаты моделирования расчета газодинамических параметров в скважине при взрыве
Химическая реакция при взрыве происходит не мгновенно, а требует определенного времени, поэтому и фронт детонационной волны не является бесконечно узким, а представляет собой слой конечной толщины, в котором эта реакция протекает. На рисунке 2.1 показана кривая HD соответствующая ПВ, также представлена кривая Но, описывающая ударное сжатие самого ВВ, которая проходит через начальную точку Р=0, VQ И лежит ниже кривой HD.
Известно, что детонационная волна представляет собой ударную волну, на фронте которой сжимается ВВ и начинается реакция взрыва, т.е. превращение ВВ в ПВ. Эта ударная волна движется со скоростью детонации D, т.е. состояние на ее фронте лежит на том же луче, который проходит через точку Жуге, откуда видно, что давление в сжатом ВВ больше, чем давление в ПВ. Промежуточные состояния, соответствующие стадии, когда прореагировала только часть ВВ, изображаются точками на прямой KJ. По мере протекания реакции давление падает. Таким образом, на фронте детонационной волны существует зона химической реакции, давление в которой повышено (отсюда и происходит термин химический пик). Схема распределения давления за фронтом волны показана на рисунке 2.2. Резкой границы, где ВВ полностью превратилось в ПВ, может и не быть, т.е. возможно выгорание или дефлограция стремится к полному, т.е. конечному лишь асимптотически. Важно учесть, что давление в химическом пике, так же как и скорость детонации, слабо зависит от степени пересжатия в точке Жуге dPxn ldPdem = О, что легко видно из рисунка 2.2.
Уравнение состояния ПВ может быть приближенно получено из опытных данных. Это уравнение необходимо для решения большинства задач по газодинамике взрыва. В зависимости от типа задачи, предъявляются разные требования к точности формулы, аппроксимирующей уравнение состояния ПВ. Для многих процессов в ПВ связь между давлением и плотностью практически одинакова. Эту связь удобно аппроксимировать степенной функцией
Величины А и п подбираются таким образом, чтобы для ВВ с известным химическим составом и начальной плотностью (для эмульсионных ВВ начальную плотность часто соотносят с т.н. исходящей плотностью, т.е. плотностью, которую приобретает ЭВВ после зарядки в скважину до непосредственного инициирования за счет частичного исхождения и схлопывания пузырьков деспергированного воздуха и газогенерирующего наполнителя) это уравнение давало бы правильные значения параметров нормальной детонационной волны. В случае изменения начальной плотности ВВ, величины А и п также изменяются.
Для определения п по опытным данным кроме скорости детонации D необходимо также знать одну из величин на фронте нормальной волны - р, U или С. Зная п, нетрудно определить и коэффициент А С целью определения характера изменения давления ПВ во взрывной скважине применим модель истечения газового потока через цилиндрическое сопло, предложенную Дугарцыреновым А.В. [94]. Для этого рассмотрим процесс свободного истечения продуктов взрыва в атмосферу через устье скважины. Учитывая высокие давления газов (порядка 109 Па) в скважине по сравнению с атмосферным, можно принять, что истечение ПВ происходит в критическом режиме. При теоретическом анализе этого процесса следует учесть, что истечение газов происходит в переменном режиме, когда имеет место изменение давления в скважине, связанное с ограниченной массой газов во взрывной полости.
Известно, что критическая скорость газового потока в цилиндрическом сопле достигается в его выходном сечении [95].
Массовый расход газа G в цилиндрическом сопле в критическом режиме зависит от давления Р в скважине и определяется выражением
Коэффициент расхода учитывает отклонение профиля сопла от идеального, его шероховатость и т.д. и для оценочных расчетов может быть принят в пределах от 0,7 - 0,8. В силу незначительной продолжительности истечения считаем процесс адиабатическим. Для оценки изменения давления P(t)=P в скважине во времени примем, что в момент завершения детонации достигается максимальное давление Ртах, причем оно равномерно и одинаково во всей скважине (критическая скорость истечения имеет место только на выходе из скважины). При таком допущении максимальное давление Ртах, соответствующее точке Чепмена - Жуге определяется выражением [96]
При построении использовалась формула для расчета Ртах, в которой заряжаемая плотность ВВ выражается через отношение массы заряда ВВ к его объему. В расчетах использовалась не масса, а плотность заряжания. Однако, учитывая, что V=const, становится правомочно выразить массу заряда через его плотность. Таким образом, характер графических зависимостей не изменяется.
На рисунке 2.4 приведены зависимости массового расхода газа G (продуктов детонации) для сибирита 1200 для скважин диаметром 115 мм и 250 мм, начальная плотность при заряжании 1,15 кг/м3. В данной методике расчета газодинамики массовый расход с одной стороны тождественен показателю давления во времени Р{т), так как зависит от него прямо пропорционально, с другой в величину массового расхода также заложено значение выходного сечения, что по сути указывает на зависимость от диаметра скважины.
Влияние газодинамического состояния продуктов взрыва в скважине на характер разрушения горных пород
Регулирование динамического воздействия на горный массив достигается за счет изменения давления продуктов детонации в скважине. Как было показано в главе 2, давление продуктов детонации в скважине напрямую зависит от массы заряда на единицу длины (плотности).
Так как максимальное давление в точке Чепмена - Жуге зависит от плотности заряда, скорости детонации а зависимость изменения давления по времени выражается следующим законом
Для сферического заряда, после одновременной детонации в момент, когда детонационная волна доходит до поверхности заряда ВВ, соприкасающейся со средой, на породу действуют взрывные газы с весьма высоким давлением. В результате в среде возникает волна сжатия, которая сжимает, раздавливает и переводит в текучее состояние слой породы на контакте продукты взрыва - среда. В данном случае разрушаемый массив будет испытывать состояние всестороннего сжатия. Размеры образовавшейся при этом зоны сжатия (раздавливания) всецело зависят от давления, развиваемого в продуктах взрыва в этой зоне, а также прочностных и упругих свойств окружающей заряд породы [1, 102].
Размер зоны мелкого дробления для сферического заряда равен 3-15 радиусов заряда [100]. Для удлиненных цилиндрических зарядов радиусы зон мелкого дробления и радиального трещинообразования соответственно равны: где гмелкдро6л - радиус зоны мелкого дробления, градтр - радиус зоны радиального трещинообразования, Рж - давление в зарядной полости (порядка 5-109Па), амд = 1з[і + 0,079(/-15) + 0,0019(/-15)2]-108, Па, / -крепость пород по М.М. Протодьяконову, араст - предел прочности на растяжение, Па,
По мере удаления от центра взрыва напряжение в породе, вызванное волной сжатия, ослабевает, и механизм разрушения становится иным. Частицы породы, вовлеченные в движение волной сжатия, продолжают перемещаться вдоль радиусов, исходящих из центра взрыва. В результате каждый элементарный цилиндрический слой, на которые можно условно разделить весь разрушаемый массив, растягивается, при этом радиус такого слоя увеличивается. Это явление приводит к появлению системы радиальных трещин, расходящихся во все стороны от заряда. Т.е. нарушение сплошности материала в зоне разрушения происходит в результате образования трещи, направленных по нормалям к поверхности цилиндра. Появление радиальных трещин обусловлено наличием тангенциальных растягивающих напряжений, превышающих предел прочности материала на разрыв. Далее, по мере еще большего удаления от центра взрыва заряда все деформации, вызванные растягивающими напряжениями, прекращаются и новые трещины не образуются. Тем не менее, возникшие ранее трещины могут распространяться еще на некоторое расстояние вследствие перераспределения напряжений около их концов, в местах, где происходит концентрация растягивающих усилий [102, 1]. Размеры зоны радиальных трещин зависят от трещинноватости массива пород, их физико -механических свойств, передачи энергии ВВ в волну напряжений и времени их воздействия на среду.
Объем зоны радиальных трещин определяется параметрами трещин в массиве, материалом их заполнителей, величиной напряжения в волне и длительностью воздействия ее на массив.
В остальной части среды за пределами отмеченных зон волна сжатия приводит к накоплению некоторого запаса потенциальной энергии упругой деформации, которая реализуется в работу разрушения лишь при наличии свободной поверхности. В этом случае при достижении волной сжатия свободной поверхности частицы пограничного слоя получают возможность расшириться в ее сторону. Такое расширение породы будет передаваться все более удлиненным слоям среды. В результате чего возникнет волна растяжения, направленная от свободной поверхности вглубь массива. Эта волна, в свою очередь, вызывает растягивающие напряжения в породе, а так как предел прочности горных пород на разрыв гораздо меньше предела прочности на сжатие, то это приводит к интенсивному разрушению среды. Как указано на рисунке 1, трещины, образовавшиеся под действием волны растяжения, развиваются перпендикулярно направлению ее распространения.
Участок породы, ограниченный с одной стороны зоной радиальных трещин, с другой - зоной трещин, идущих от свободной поверхности, разрушается под совокупным действием волновых процессов и газообразных продуктов взрыва [102]. При взрыве в безграничной среде после падения давления продуктов взрыва в полсти сильно сжатая вокруг нее порода незначительно смещается в сторону центра заряда, возбуждая волну разряжения, в результате чего в среде появляются кольцевые тангенциальные трещины.
Для определения наиболее существенных характеристик механического взаимодействия продуктов взрыва с окружающей средой разрушение массива можно условно разделить на три стадии:
1. Образованная при взрыве мощная волна сжатия разрушает породу на контакте заряд - среда (процесс дробления), от границы зоны раздавливания распространяется зона радиальных трещин. За счет внутренних взаимодействий и взаимодействия волны сжатия с свободной поверхностью происходит более интенсивное дробление материала в окрестности свободной поверхности и теле массива [54, 58, 60]. В этой, самой кратковременной, стадии происходит наиболее значительный расход энергии взрыва ВВ, осуществляется основное разрушение отбиваемой породы, камуфлетная полость цилиндрической формы достигает предельного объема.
2. Вследствие влияния свободной поверхности, нарушается осесимметричность развития полости, газообразные продукты взрыва сообщают разрушенной породе ускоренное движение в сторону свободной поверхности. Основополагающим фактором в этой стадии является действие оставшихся в полости продуктов взрыва.
3. Инерциальный разлет породы в поле силы тяжести. Основываясь на приведенных теоретических выводах, приведем ряд зависимостей, за счет которых можно оценить характер разрушения породы (гранита) в результате взрыва удлиненного цилиндрического заряда:
Таким образом, радиус зоны мелкого дробления (зоны смятия) в камуфлетной стадии вычисляется по формуле:
В соответствии с приведенными зависимостями были получены радиусы зоны переизмельчения и зоны образования радиальных трещин для взрыва зарядов ТЭНа в гранитных моделях: Начальное давление продуктов детонации
Производственные испытания в условиях карьера ОАО «Каменногорское КУ»
Для проверки расчетных показателей параметров БВР (диаметра заряда, высоты колонки заряда) проводилась серия экспериментов [27, 20], основной задачей которых являлось определение скорости детонации зарядов ЭВВ и установление зависимостей скорости детонации от высоты колонки заряда, диаметра зарядов, типа используемого ЭВВ, обводненности скважин, соотнесение результатов промышленного эксперимента с результатами лабораторных исследований и расчетных данных. Измеряемой величиной являлась скорость детонации при заданных параметрах БВР. Для измерения скорости детонации эмульсионного ВВ в скважине был использован прибор МюгоТгар, измеряющий изменение электрического сопротивления проводника, опущенного на всю длину по колонке заряда в скважину.
Принцип работы прибора MicroTrap
При перемещении фронта детонационной волны от патрона - боевика к устью скважины, разрушается проводника. MicroTrap в режиме реального времени фиксирует изменение сопротивления проводника по его длине с частотой, задаваемой оператором - в нашем случае частота составляет 2 МГц, что соответствует 2 миллионам экспериментальных точек в секунду. Проводник -датчик, опускаемый на всю длину скважины представляет из себя тонкий двужильный провод с постоянным одинаковым сопротивлением на любом участке.
Количество заданных точек измерения скорости детонации определяет точность экспериментальных данных. В нашем случае при длине скважины Ими скорости детонации ЭВВ примерно 4500 м/с время движения детонационного фронта по оси скважины равно:
11 м/4500 м/с = 2,4 мс.
При частоте записи данных 2 МГц количество записываемых экспериментальных точек равно:
2 МГц - 2 млн. точек/с = 2000 точек/мс
Таким образом, за все время взрыва скважины можно получить около 5000 точек: 2000 точек/мс 2,4 мс = 4800
Такое количество данных обеспечивает высокую точность построения экспериментальных зависимостей.
Порядок работы регистратора MicroTrap
Установка регистрирующего проводника и комплекса MicroTrap в намеченной точке измерения осуществляется в день производства массового взрыва до заряжания ВВ в скважины. Для этого регистрирующий проводник помещяют в скважину с уже установленным боевиком и нитью ДШ с противоположной стороны от ДШ, для того, чтобы детонация ДШ не повредила проводник.
Регистрирующий проводник перед размещением в скважине замыкают накоротко, после размещения в скважине его соединяют с коаксиальным кабелем RG - 58 и кабель соединяют с входным гнездом комплекса MicroTrap. Сам прибор размещают на ровной чистой поверхности в месте укрытия мастера - взрывника, выполняющего взрыв. Затем производится тестирование комплекса, проверка связи с коаксиальным кабелем, настройка памяти прибора. По сообщению взрывника о готовности зарядов к взрыванию MicroTrap переводится в режим автоматического захвата данных (в этот момент прибор начинает посылать постоянный ток на проводник).
По мере разрушения проводника в скважине регистратор автоматически фиксирует точки - значения сопротивления проводника с установленной оператором частотой. Записанные прибором экспериментальные точки несут в себе данные о том, как изменяется сопротивление по колонке заряда, то есть, в определенный момент времени и известной длине автоматически рассчитывается скорость детонации.
Настройки регистратора MicroTrap
Режим записи VOD - данных является одиночным режимом записи для одной скважины или шпура. Запись событий осуществляется только в миллисекундном интервале, соответствующем высоким скоростям разрушения проводника (скорости детонации) размещенном во взрывной скважине. Режим регистрации VOD -скорости детонации для одиночной скважины настраивается за счет соответствующей калибровки регистрирующего устройства MicroTrap с помощью специализированного аналитического программного обеспечения геТгар.
Для оценки влияния на эффективность дробления горной массы производились опытные взрыва с зарядами разного диаметра (115 мм и 250 мм). Для каждого из зарядов были получены экспериментальные зависимости скорости детонации по длине скважины. На скорость детонации влияет как изменение плотности по длине колонки заряда, так и диаметр скважины (заряда). На рисунках 4.3, 4.4 представлены регистограммы скорости детонации во времени, зафиксированные MicroTrap.
Как видно из представленных зависимостей с увеличением диаметра заряда скорость детонации возрастает.
Следует также отметить влияние изменения плотности ЭВВ по длине колонки заряда на скорость детонации. Изменение скорости детонации по длине колонки заряда приводит к неравномерному дроблению. Радиусы зон разрушения при этом будут различаться.
Далее рассчитаем радиусы зон разрушения для зарядов с диаметром 115 мм и 250 мм по уже известной методике
Для расчетов принималась усредненная плотность столба ЭВВ, интервалы столба принимались по 1 м. Данные по плотности сведены в таблицу.
Так как прибор начинал фиксировать скорость детонации, начиная с высоты 4 м от дна скважины ввиду расположения боевика, то и расчеты ведутся от данной отметки.
Рассчитанные радиусы зон разрушения при взрывании зарядов с диаметров 115 мм и 250 мм [40, 38, 39] представлены в таблице 4.4
