Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы, задачи исследований
1.1. Волновые и газодинамические процессы при взрыве заряда ВВ в твердой среде 8
1.2. Напряженно-деформированное состояние массива на квазистатической стадии взрыва 16
1.3. Процесс развития трещин в горных породах 25
1.4. Предразрушение горных пород за зонами разрушения 34
1.6. Постановка задач исследований 39
2. Разрушение горных пород на волновой стадии действия взрыва 40
2.1. Зона дробления 41
2.2. Зона трещинообразования 45
2.3. Наведенная трещиноватость в горной породе вследствие действия взрывных нагрузок 46
2.4. Изменение прочности горных пород вследствие увеличения размеров трещин 53
2.5. Предразрушение горных пород на различных расстояниях от центра взрыва 60
3. Дополнительное разрушение горных пород на квазистатической стадии действия взрыва 65
3.1. Взрывная полость и остаточное давление в ней 66
3.2. Напряженное состояние в среде на квазистатической стадий действия взрыва 67
3.3. Приращение радиальных трещин вследствие квазистатического действия продуктов взрыва 69
3.4. Область действия квазистатической стадии взрыва 78
3.5. Возможность увеличения сетки скважин за счет дополнительного разрушения горных пород на квазистатической стадии действия взрыва 80
3.6. Способы запирания скважин для повышения эффективности взрыва 83
4. Экспериментальные исследования дополнительного разрушения горных пород на квазистатической стадии действия взрыва 88
4.1. Лабораторный эксперимент по увеличению размеров зоны трещинообразования на квазистатической стадии взрыва 88
4.1.1. Постановка эксперимента 88
4.1.2. Результаты эксперимента 91
4.1.3. Анализ экспериментальных данных 94
4.2. Разработка и проведение эксперимента в промышленных условиях 97
4.3. Экономический эффект от дополнительного разрушения горных пород на квазистатической стадии взрыва 102
4.6 Выводы по 4-й главе 108
Заключение 109
- Напряженно-деформированное состояние массива на квазистатической стадии взрыва
- Зона трещинообразования
- Напряженное состояние в среде на квазистатической стадий действия взрыва
- Разработка и проведение эксперимента в промышленных условиях
Введение к работе
Актуальность работы: При качественном запирании продуктов детонации (ПД) в скважине эффективность взрывного разрушения горных пород повышается. На квазистатической стадии действия взрыва происходит дополнительное разрушение горных пород.
Максимальная передача энергии ПД разрушаемому массиву может быть достигнута за счет их запирания в скважине на необходимое время. Задержка истечения газообразных продуктов взрыва может быть осуществлена путем применения различных видов забоек. Наиболее распространена традиционная забойка из песка или буровой мелочи. Однако время запирания, которое может обеспечить такая забойка (7-8 мс) не всегда является достаточным для максимально возможной передачи энергии ПД разрушаемому массиву. Для более длительного запирания продуктов взрыва в скважине необходимо использовать забойки специальных конструкций. Для разработки рекомендаций по совершенствованию технологий взрывного разрушения горных пород на квазистатической стадии действия взрыва должна быть выполнена оценка необходимого времени задержки истечения газообразных продуктов детонации из скважины. Отсутствие физико-механической модели дополнительного разрушения горных пород на квазистатической стадии действия взрыва затрудняет возможность совершенствования буровзрывных работ для более полного использования энергии взрыва.
При качественном запирании газообразных продуктов взрыва в скважине появляется возможность снижения фактического расхода взрывчатых веществ и уменьшения объема бурения, что позволяет получить существенный экономический эффект.
Цель работы: Повышение эффективности буровзрывных работ на основе более полного использования энергии взрыва, которое достигается дополнительным разрушением горных пород на квазистатической стадии действия взрыва.
Идея работы: Дополнительное увеличение объема разрушения горной породы на квазистатической стадии действия взрыва происходит при увеличении времени воздействия ПД на массив и за счет формирования концентрации напряжений в вершинах трещин, первоначально созданных на волновой стадии, и их дальнейшего развития, и может быть оценено на основе разработанной модели.
Задачи исследований;
Разработка способа оценки давления ПД и параметров напряженного состояния в горной породе на квазистатической стадии действия взрыва.
Оценка снижения прочности горных пород при образовании новых и увеличении размеров существующих дефектов на волновой и квазистатической стадиях действия взрыва.
Разработка метода расчета объема дополнительного разрушения горных пород за счет увеличения зоны трещинообразования на квазистатической стадии действия взрыва.
Разработка конструкции забойки, обеспечивающей необходимое время действия квазистатической стадии взрыва.
Научные положения:
Увеличение объема разрушения горных пород может быть обеспечено дополнительным трещинообразованием на квазистатической стадии действия взрыва.
Необходимое для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород время действия квазистатической стадии определяется скоростью роста размеров трещин и снижением прочности породы на волновой стадии и обеспечивается применением специальных запирающих устройств.
Область предразрушения при взрыве в горных породах определяется концентрацией напряжений в вершинах естественных макротрещин.
6 Научная новизна работы: Установлены зависимости для определения дополнительного увеличения размеров трещин на квазистатической стадии действия взрыва, учитывающие снижение прочности среды вследствие увеличения размеров дефекта, а также концентрации напряжений в вершинах трещин, позволяющие оценить дополнительное увеличение объема разрушения, а, следовательно, повысить эффективность использования энергии взрыва.
Методы исследований. Общей теоретической и методологической базой диссертационной работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых и практиков в области теории взрыва. При решении поставленных задач использовались методы физического и математического моделирования, кинетической теории прочности, физики и механики формирования трещин.
Достоверность научных положений обосновывается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации о действии взрыва на квазистатической стадии, физической обоснованностью постановки и решения задач, экспериментальным подтверждением расчетов по разработанной модели разрушения материала на квазистатической стадии действия взрыва.
Практическая ценность работы заключается в обосновании и оценке необходимого увеличения длительности квазистатической стадии действия взрыва и применения специальных запирающих устройств для повышения эффективности разрушения.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2000, 2002 г.г.), научной конференции в рамках "Недели Горняка" (г. Москва, МГГУ, 2003 г.), на кафедре РМОС и РГП СПГГИ (ТУ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, подана заявка на патент РФ «Скважинная забойка», зарегистрированная под № 2002131216 с приоритетом от 20.11.02.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 119 страниц, содержит 1/? таблиц и 39 рисунков, а также список литературы из 102 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. М.Г. Менжулину, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; доценту Ю.А. Миронову за содействие в проведении экспериментальных работ и другим сотрудникам кафедры РМОС и РГП за практические советы при выполнении и написании диссертации.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ.
Напряженно-деформированное состояние массива на квазистатической стадии взрыва
Среди различных механических эффектов, сопровождающих взрыв в горных породах, таких как взрывная полость, волна напряжений, разрушение среды и излучаемый сейсмический сигнал, имеется эффект, который проявляется не так отчетливо, — это остаточное напряженно-деформированное состояние массива, вызванное взрывом. Степень проявления этого эффекта в существенной мере зависит от среды, в которой производится взрыв. В сплошных горных породах (или с малой начальной пористостью), где необратимое объемное уплотнение отсутствует, эффект напряженного состояния проявляется в наибольшей степени. В таких горных породах в результате взрыва образуется значительный объем пустот (порядка 104 м3/кт), который складывается из объема полости и объема пустот в зоне разрушения, возникшего в результате появления трещин. Уплотнение скелета, слагающего породный массив, здесь не происходит. Наоборот, за счет появления микротрещиноватости на границах зерен скелет также может разуплотняться. Горная порода, которая до взрыва занимала этот объем пустот, после взрыва оказывается вытесненной в зону упругих деформаций. В породном массиве, окружающем разрушенную среду, возникают остаточные напряжения и деформации. Для сред со значительной начальной пористостью, способных к необратимому уплотнению, эффект остаточного напряженного состояния будет появляться в меньшей мере. В таких средах образование взрывной полости частично происходит за счет уменьшения пористости разрушенной среды и частично за счет вытеснения среды в зону упругих деформаций. В работе [72] рассматривается процесс образования поля остаточных напряжений при взрыве сферического заряда.
На заключительной стадии взрыва, когда движение медленное и волновыми процессами можно пренебречь, наблюдается следующая картина. Как видно из рис. 1.2.2, пики радиальных и азимутальных напряжений не совпадают в пространстве. Их положение в разрушенной среде зависит от величин х и к, и с падением % и к они могут сместиться в зону радиальных трещин. Хотя наибольшие напряжения действуют в пределах зоны дробления, следует обратить внимание на то, что существенное изменение напряженного состояния происходит также и в объеме, значительно превосходящем зону дробления. Перемещение горной породы, вызванное взрывным возмущением, приводит к появлению остаточных деформаций. В работе [72] рассматриваются в основном среды с малой (или нулевой) начальной пористостью, которые под действием взрыва не получают необратимого объемного уплотнения и, следовательно, лишь разуплотняются. Весьма важным с практической точки зрения остаточным параметром среды является пористость. Конечная пористость разрушенного массива определяет возможность использования взрыва для увеличения отдачи нефти и газа из коллекторов, использования геотермальной энергии, подземного выщелачивания руд и т.д. В зоне упругих деформаций, где горная порода не разрушается, остаточные деформации описываются выражениями (1.2.3), из которых видно, что радиальные деформации вдвое больше азимутальных и противоположны им по знаку. Отсюда следует, что объемная деформация sv = єг+ 2є р здесь теоретически равна нулю.
Однако реальный массив обычно пронизан системой естественных трещин, которые под действием растягивающих азимутальных напряжений могут раскрываться. Среднее значение плотности трещиноватой среды р (масса среды с начальной плотностью кусков ро на единицу объема трещиноватой породы) можно получить из уравнения баланса массы для сферического слоя радиуса г единичной начальной толщины: Хотя пористость в зоне радиальных трещин невелика и для прочных пород типа гранита не превышает 0,1%, интегральный объем пустот здесь оказывается близким к объему полости. Следует также иметь в виду, что раскрытие трещин здесь тем больше, чем меньше их число. То есть небольшие в среднем азимутальные деформации могут приводить к существенному раскрытию единичных трещин, распространяющихся на значительные расстояния. В зоне дробления разрушенная взрывом горная порода представляет собой гранулированную среду, которая в процессе взрыва разуплотняется благодаря значительным сдвиговым деформациям. Пористость здесь существенно зависит от свойств среды и расстояния до центра взрыва. На рис. 1.2.3 приведены для примера графики изменения пористости с расстоянием в тиосульфате натрия и канифоли, построенные по результатам измерения остаточных перемещений. Пористость рассчитывалась по формуле VV А.. Vі W, (1.2.15) 7/ = 1-1 Х , диост г ) дг ) полученной из закона сохранения массы. Вблизи внешней границы зоны дробления изменение пористости с расстоянием в обеих средах описывается степенным законом г] « г а, где а =2,8-3. Сведения о пористости при взрывах в реальных горных породах (типа гранитов) весьма ограничены и отрывочны. Единичные измерения, произведенные при подземных ядерных взрывах в гранитах, известные из публикаций американских и французских ученых, показали, что максимальная пористость вблизи полости составляет величину 10 - 15%. Интегральный объем пустот в разрушенной среде, оцененный по результатам лабораторных и натурных экспериментов, может в 2 - 3 раза превышать объем полости.
Процесс разрушения горных пород взрывом - это результат развития естественных статистически распределенных в массиве микро- и макротрещин и создания в среде новых трещин с нарушением сил молекулярного сцепления. Такое представление о процессе разрушения соответствует современным взглядам по строению реальных твердых тел. Трещина - это любое местное разрушение сплошности материала любой формы и размеров. Общее разрушение материала среды происходит при достижении средним напряжением «местной» прочности самого слабого места, т.е. прочность всей системы определяется прочностью самого слабого места. Согласно статистической теории прочности, эти дефекты статистически распределены по всему объему среды, в которой они присутствуют в силу неоднородности структуры, наличия примесей и т.д.. В горных породах наличие таких «дефектов» может быть связано с длительными тектоническими процессами, местными изменениями пород в силу вторичных процессов (каолинизации, хлоритизации, окварцевания), постмагматических изменений и т.д.. Известно, что горные породы деформируются главным образом хрупко. Однако при хрупком по внешним признакам разрушении развитию трещины сопутствует некоторая пластическая деформация.
Следовательно, разрушение горных пород может быть как хрупким, так и пластичным, что зависит от внутреннего строения среды, характера и условий возникновения и распространения трещин, скорости нагружения и скорости деформации. Поэтому процесс хрупкого или пластического поведения пород при взрыве должен быть увязан прежде всего с их упруго - пластическими свойствами: акустической жесткостью, модулем сдвига, модулем Юнга, константой Лямэ, модулем объемного сжатия и коэффициентом Пуассона. Установление физико - механических и упруго - пластических свойств горных пород является необходимым, но не достаточным условием для оценки характера их пластического или хрупкого разрушения. Важное значение при этом имеет временная характеристика процесса деформации. Хрупкое разрушение, как известно, происходит почти мгновенно после достижения максимального значения внешних усилий и возникновения начальной трещины, когда напряжение падает сразу же с максимума до нуля. Пластическое разрушение развивается постепенно с падением напряжений, что часто приводит к разгрузке среды, предохраняя ее от окончательного разрушения. В связи с этим к хрупким должны быть отнесены породы, характеризующиеся высокой скоростью деформации, а к пластичным — породы, характеризующиеся низкой скоростью деформации. Процесс развития трещин в горных породах может быть условно разделен на три стадии, каждая из которых связана с определенными физическими параметрами состояния среды и характером нагружения: 1 - медленный рост зародышей трещин на пути АБ (рис. 1.3.1); 2 - ускоренный рост сквозной трещины на пути БВ; 3 — рост сквозной трещины с постоянной скоростью на пути ВГ. Графически такая модель развития трещин может быть представлена в виде диаграммы «Время предразрушения среды - скорость роста трещины».
Зона трещинообразования
При воздействии поля напряжений развивается наведенная трещиноватость. При этом может происходить подрастание имеющихся трещин и возникновение новых микротрещин. Подрастание имеющихся микротрещин ограничивается вначале тем, что вершины трещин упираются в соседние зерна. Поэтому термодинамически более предпочтительным является развитие новых микротрещин той же длины. Подготовка нарушенности трещин начинается с раскрытия структурных неоднородностей. Скорость накопления микротрещин зависит от величины приложенного напряжения, времени воздействия и мгновенной концентрации трещин. За время г концентрация трещин увеличивается до некоторой критической величины я,, при которой происходит слияние отдельных трещин. Скорость накопления трещин может быть оценена с помощью соотношения [69]: L = ±Z±, (2.3.1) dt T[cr(t)\ где т - долговечность при мгновенном значении напряжения cr(t), изменяющегося во времени. Долговечность представляет собой время ожидания образования трещины (или разрушения образца) при заданной нагрузке. Локальная долговечность определяется формулой С.Н. Журкова [31, 32]: T(a) = Ty -"VKr, (2.3.2) где т0 - период тепловых колебаний; U0 - энергия активации разрыва ненагруженных связей, примерно равная энергии диссоциации; у - структурный объемный коэффициент; R - универсальная газовая постоянная (/?=8,31 Дж/К Моль). Величины U0 и у определяются экспериментально.
При взрыве действуют два типа нагрузки: быстроизменяющаяся сильная нагрузка в виде динамической волны напряжений и меньшая по величине напряжения, но значительно более длительная нагрузка, создаваемая продуктами детонации в полости взрыва и убывающая с расстоянием вследствие расхождения в упругом пространстве. Рассмотрим действие волны напряжений. Для образования трещин за время ее действия величина нагрузки должна обеспечить накопление микротрещин до величины «.. Из (2.3.1) и (2.3.2) следует, что скорость роста числа трещин тем выше, чем меньше локальная долговечность. Последняя зависит от величины приложенного напряжения. Из этих же соотношений следует, что более существенную роль играет величина напряжения, входящая в показатель степени в выражении для долговечности. По характеру воздействия волна напряжений в свою очередь может быть разделена на две стадии: стадию всестороннего сжатия длительностью ti и стадию действия растягивающего бокового напряжения длительностью \.2- Принимая импульсы прямоугольными, для каждой из этих стадий получены оценки по накоплению микротрещин при прохождении волны напряжений [89]: Согласно термодинамическому подходу к описанию роста трещины по Гриффитсу, предполагается, что напряжение в вершине трещины всегда будет выше, чем в окружающей однородной среде и при определенных условиях его может быть достаточно для разрыва атомных связей, а возникновение катастрофического распространения трещины будет зависеть от того, уменьшается или увеличивается энергия всей системы в целом при распространении трещины.
Он считал, что имеется два вида энергии: поверхностная энергия двух образующихся поверхностей (S) для трещины единичной толщины и половины длины а, и энергия деформации или потенциальная энергия, высвобождаемая телом (U). S = 2ysa (2.4.1) где ys - удельная поверхностная энергия, Дж/м . Величина U была вычислена путем интегрирования произведения напряжения на деформацию для всех элементов бесконечного тела, что дало (для трещины с полудлиной а) При отсутствии дефектов прочность среды является идеальной. Существует несколько подходов для оценки идеальной прочности, в частности, в работе [48] она определяется из предположения, что зависимость напряжения от смещения для любого твердого тела, подвергаемого действию одноосного растяжения, может быть представлена первой половиной периода синусоидальной кривой с начальным наклоном, характеризуемым модулем Юнга. Далее предполагается, что совершаемая работа на единицу площади атомной плоскости, нормальной к оси растяжения, при подъеме напряжения до максимального значения на синусоиде, равна поверхностной энергии ys. В этих предположениях приходим к соотношению: о-ид. = ]- - (2.4.6) где а0 - расстояние между атомными плоскостями, перпендикулярными оси растяжения, в ненапряженном состоянии. С помощью соотношений (2.4.5) и (2.4.6) можно получить связь между значениями идеальной и экспериментальной прочностей: Реальная прочность среды зависит от размеров дефекта. Это обусловлено, в частности, тем, что в окрестностях вершин трещин существует повышенный уровень напряжений по сравнению с напряжением в однородной среде. Из приведенных соотношений следует, что размер трещины 1тр. существенно влияет на прочность среды. Более того, если для среды в естественном состоянии можно установить некоторую эффективную длину трещины 1этр\, определяющую экспериментальную прочность, то можно найти изменение прочности, обусловленное увеличением размеров трещин: Эффективную длину трещины 1этр\ можно определить следующим образом: берется шлиф горной породы; под микроскопом измеряются и подсчитываются микротрещины различных размеров; строится гистограмма - 7V. зависимость -гг = f(lmp), где Л . - количество трещин в і-ом диапазоне длин, "і. № - общее количество трещин на шлифе. На рис. 2.4.1 представлен общий вид гистограммы распределения микротрещин по размерам, на рис. 2.4.2-2.4.4 -распределение микротрещиноватости в образцах гранитов с разных месторождений. Формула (2.4.9) объясняет снижение прочности горной породы за счет увеличения размеров трещин.
Интенсивности волны напряжений на расстояниях от центра взрыва до V =200 достаточно для подрастания трещин, по величине равных среднему размеру отдельности в массиве горных пород (или среднему размеру естественных блоков в массиве). В работе выполнены расчеты по определению области предразрушения на волновой стадии взрыва (см. табл. 2.5.1 и 2.5.2). Рассчитывались такие расстояния, на которых концентрация напряжений в вершинах естественных макротрещин равна динамическому пределу прочности породы на отрыв. Под предразрушением понимается снижение прочностных свойств горных пород на волновой стадии действия взрыва в области за зонами разрушения. При расчетах динамический предел прочности на растяжение варьировался от 20 до 44 МПа, величина r„fp - от 0,25 до 1,0 мм. Для оценки размеров зоны действия предразрушения при взрыве сферического заряда использовались следующие формулы. Для относительных расстояний Г \2 максимальная амплитуда тангенциальной составляющей волны напряжений при взрыве сферического заряда определяется как [16, 17]:
Напряженное состояние в среде на квазистатической стадий действия взрыва
Для дальнейших расчетов необходимо знать одну из компонент напряжения на радиусе зоны дробления. В работе [41] описана серия экспериментов по исследованию размеров зоны проникновения продуктов детонации в окружающую заряд среду. Эксперименты проводились в поваренной соли. При взрывании зарядов тэна с йодом (масса которого не превышала 50 % массы ВВ) и последующим удалением верхних слоев среды по всей поверхности модели была обнаружена следующая картина. В центре модели, в области расположения заряда, находилась зона белого цвета - действие высокого давления и температуры в непосредственной близости к зарядной камере привело к разрушению кристаллической структуры соли. Затем следует кольцевая зона, интенсивно окрашенная йодом, а далее располагается область, окраска которой значительно светлее. Обработка результатов экспериментов позволила установить, что минимальный радиус проникновения ПД при нормальной температуре среды составил 10-13 радиусов заряда (примерно такую величину составляет радиус зоны дробления для пород типа гранита). В работе [72] отмечается, что в зоне дробления при взрыве в граните суммарный объем образовавшихся пустот составляет 10-15%. Дальнейшие расчеты будут вестись из предположения, что газообразные продуты взрыва, расширяясь, проникают в образовавшиеся на волновой стадии пустоты зоны дробления, что влияет на распределение напряжений вокруг взрывной полости на квазистатической стадии действия взрыва.
Давление ПД во взрывной полости с учетом их разуплотнения принимаем равным радиальной составляющей напряжения на радиусе зоны дробления. Объем продуктов детонации с учетом заполнения ими образовавшихся пустот зоны дробления составит: С = щ, [RLax + П(К - RLax )], (3.2.4) где П - величина образовавшихся пустот в зоне дробления (в долях единицы); Остаточное давление ПД с учетом величины П составит: Рост размеров трещин на квазистатической стадии взрыва происходит вследствие повышенных напряжений в их вершинах. Если эти повышенные напряжения окажутся больше предела прочности, то трещина будет подрастать до тех пор, пока в среде действует достаточное для этого напряжение. Таким образом, может быть предложен способ расчета увеличения зоны трещинообразования на квазистатической стадии действия взрыва за счет роста трещин, первоначально созданных на волновой стадии. Увеличение размеров трещин происходит вследствие повышенных напряжений в их вершинах или, что то же самое, вследствие уменьшения прочности среды при увеличении размеров трещин, больших, чем 1этр\. Напряжение в вершине трещины меняется по закону: (3.3.1) где а1 - напряжение в окружающей трещину среде. Для дальнейших расчетов принимаем, что прочность горной породы на квазистатической стадии действия взрыва оценивается статическим пределом прочности. Тогда трещина будет расти, пока соблюдается условие ств [ ompl ([Gornp J -стати чес кий предел прочности горной породы на отрыв).
Распределение напряжений вокруг зарядной полости принималось в соответствии с методикой, описанной в п. 3.2. Минимальный размер трещины, которая может увеличиться в размерах, можно получить из выражения (3.3.1): Время подрастания трещины от начального размера 1тр до конечного lt можно найти из формул (1.3.3) и (1.3.4). Расчеты по вышеизложенной методике велись со следующими допущениями: 1. Забойка при взрыве не вылетает из скважины (идеально закупоренная скважина). 2. Предполагается, что трещины, для которых рассчитывается приращение, одним концом упираются в радиус зоны трещи нообразо вания. 3. Прочность горной породы на квазистатической стадии действия взрыва оценивается статическим пределом прочности. Большое значение имеет расчет времени прироста трещин. Принимая во внимание допущение 1 и зная время прироста трещин можно определить, достаточно ли времени задержки продуктов взрыва, которое обеспечивают различные типы забоек, для того, чтобы эффект квазистатического действия взрыва был использован по максимуму, т. е. достаточно ли обычной (традиционной) забойки (буровая мелочь, песок), которая обеспечивает запирание газообразных продуктов взрыва на 7 - 8 мс [27], или желательно применение каких-либо специальных забоек [62, 63], которые задерживают газообразные продукты взрыва на более длительный промежуток времени. Ниже в графическом и табличном виде приведены результаты расчетов по вышеописанной методике. Расчеты велись для взрыва цилиндрического заряда граммонита 79/21 в граните и известняке. Таблица 3.3.1 Зависимость минимального размера трещины, которая может расти (/ n) на квазистатической стадии действия взрыва (расположенная на границе зоны трещинообразования - см. допущение 2) от эффективной длины трещины (l„p ) при разных значениях объема пустот в зоне дробления Расчеты показали, что в зависимости от начальных длин трещин и физико-механических свойств горных пород величины их приращения составят 1-6 м для гранита и 2-12 м для известняка. Но такие величины приращения трещин могут быть только в случае беспрепятственного их роста.
В реальном массиве горных пород существует естественная трещиноватость, которая будет тормозить рост трещин, то есть трещины на квазистатической стадии действия взрыва будут прорастать на величину, равную среднему размеру естественного блока в массиве. Как следует из результатов расчетов, трещины в зоне трещинообразования с начальными длинами 7-8 см и более прорастают на глубину не менее, чем средний размер естественного блока (в расчетах его величина варьировалась от 0,2 до 2,0 м). В таблице 3.3.6 приведены результаты расчетов времени роста трещин на величину среднего размера естественного блока в массиве. Т.о., возможно заметное увеличение зоны трещинообразования только за счет концентрации напряжений в вершинах трещин в поле напряжений, обусловленном высоким давлением ПД во взрывной полости. Из приведенных результатов следует, что для максимального использования квазистатического эффекта взрыва (максимальной передачи энергии продуктов детонации разрушаемому массиву) недостаточно применения традиционной песчаной забойки, которая способна удерживать продукты детонации в скважине до 7 - 8 мс, а необходимо применение забоек специальных конструкций, способных удерживать газообразные продукты взрыва более длительный промежуток времени. 3.4. Область действия квазистатической стадии взрыва Определялись такие расстояния г , на которых концентрация напряжений в вершинах трещин длиной 1,0 и 1,5 м (самый распространенный размер естественной макротрещины в гранитном массиве) равняется статическому пределу прочности породы на растяжение. Распределение напряжений за зоной трещинообразования на квазистатической стадии для цилиндрического заряда принималось в виде (3.2.1), а для сферического в виде [2,71,72]: о = адр гмах г мах V r J (3.4.1) Результаты расчетов по определению зоны подрастания естественных макротрещин на квазистатической стадии действия взрыва представлены в таблицах 3.4.1 и 3.4.2.
Разработка и проведение эксперимента в промышленных условиях
Экспериментом предусматривалось решение следующих задач: 1. определение относительного времени задержки выброса забоечного материала под действием газообразных продуктов взрыва при использовании предлагаемой забойки и применяемой на предприятии забойки согласно типовому проекту по развитию пылегазового облака в начальный момент взрыва; 2. определение эффективности разрушения массива горных пород (качества профиля образующегося при отрыве разрушаемой части блока) при применении предлагаемой конструкции заряда (рис. . - Л Часть обуренного гранитного блока скважинами диаметром 127 мм заряжается согласно типовому проекту (вся незаряжаемая часть скважины заполняется забоечным материалом из песка и породной мелочи), вторая часть - с применением предложенной конструкции заряда (рис. 4.2.2). Схема взрывания -диагональная; в одной ступени замедления инициируются заряды в скважинах и с испытуемой, и с традиционной забойками (рис. 4.2.1). На основании предложенной методики подрастания радиальных трещин на квазистатической стадии взрыва есть возможность увеличения сетки скважин при качественном запирании газообразных продуктов взрыва в скважине.
Обоснование такой возможности описана в п. 3.5. Ниже приводятся результаты расчетов годового экономического эффекта по материалам при увеличении сетки скважин на примере Каменногорского месторождения гранитов. В расчетах использовались следующие показатели: ВВ - граммонит 79/21 (плотность заряжания 900 кг/м3, скорость детонации 4000 м/с, удельная теплота взрыва 4000 кДж/кг); диаметр взрывных скважин 250 мм; горная порода -гранит (плотность 2650 кг/м3, скорость продольной волны в массиве 5700 м/с, коэффициент Пуассона 0,24, предел прочности на сжатие 160 МПа, предел прочности на растяжение 11 МПа). Учитывая только волновую стадию действия взрыва расстояние между двумя соседними скважинами составляет (3.5.1): сг = 2Rmp = 3,4 2 = 6,8 м. Граниты Каменногорского месторождения относятся к IV категории по шкале трещиноватости МКВД, т. е. с вероятностью 80-90% в массиве встречаются отдельности крупнее 70 см. Соответственно расстояние между двумя соседними скважинами диаметром 250 мм согласно (3.5.2) составит: a = 2Rmp + 1естбл. = 6,8 + 0,7 = 7,5м. На рассматриваемом месторождении применяется сетка скважин 7 7 м (с применением традиционной забойки -песка и буровой мелочи). Т. о., с использованием забойки с инертным наполнителем есть возможность увеличения сетки скважин на 0,5 м по сравнению с существующей. Для расчетов использовались следующие показатели: количество скважинных зарядов, взрываемых за один массовый взрыв (типовая серия зарядов) пскв=65 шт.; длина заряда /м/,=10,7 м; глубина скважины /Ск.в=14,5 м; диаметр скважин dCKg=250 мм; сетка скважин — квадратная; расстояние между скважинами для базового варианта а =7 м, для предлагаемого - а =7,5 м; схема короткозамедленного взрывания - диагональная (см. рис. 4.3.1); Диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой решена задача создания модели дополнительного разрушения горных пород на квазистатической стадии действия взрыва, базирующаяся на том, что трещины, первоначально созданные на волновой стадии взрыва, увеличиваются в размерах на квазистатической вследствие формирования напряженного состояния в среде, обусловленного давлением продуктов детонации во взрывной полости и концентрации напряжений в окрестностях вершин трещин.
Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем. 1. На квазистатической стадии действия взрыва происходит дополнительное увеличение размеров трещин, созданных на волновой стадии. 2. На основе теории прочности Гриффитса и ее модификаций может быть предложен способ оценки изменения прочности горных пород, обусловленного увеличением размеров трещин. 3. Прочность среды зависит от размера эффективной (наиболее часто встречающейся) трещины. 4. На распределение напряжений на квазистатической стадии взрыва влияют образовавшиеся на волновой стадии пустоты в зоне дробления. 5. Дополнительное развитие трещиноватости на квазистатической стадии действия взрыва происходит в течение времени до 15 мс для гранита и 20 мс для известняка в зависимости от физико-механических свойств породы. Обеспечение необходимой длительности запирания продуктов детонации в зарядной полости может быть осуществлено применением специальных типов забоек.6. Квазистатическая стадия действия взрыва в граните проявляется в области, ограниченной расстоянием г =20 для сферического заряда и г = 30- 80 -для цилиндрического в зависимости от физико-механических свойств породы. 7. При качественном запирании газообразных продуктов взрыва в скважине есть возможность увеличения сетки скважин на размер самого распространенного естественного блока в массиве относительно сетки скважин, рассчитанной с учетом только волновой стадии. Это позволяет экономить на материалах для производства буровзрывных работ. 8.
Подрастание естественных крупных трещин (1,0 - 1,5 м) на значительных расстояниях от центра взрыва (до 200 радиусов заряда) может быть объяснено значительным повышением напряжений в их вершинах, вызванным действием волны напряжений. 9. Согласно расчетам, проведенным по предложенной в работе методике, размер области предразрушения (в которой происходит снижение прочностных свойств пород и развивается трещиноватость, превышающая естественную) горных пород типа гранита составляет от 65 до 150 радиусов для сферического заряда и от 100 до 230 - для цилиндрического - в зависимости от физико-механических свойств породы. Ю.Теоретические расчеты увеличения размеров радиальных трещин при качественном запирании продуктов взрыва в шпуре (скважине) по предложенной в работе методике подтвердились лабораторным экспериментом. 11. Эксперимент в промышленных условиях показал, что при использовании запирающих устройств в устьях скважин получается более качественный откол породы от массива и более крутой откос уступа. Это свидетельствует о том, что большая часть энергии продуктов детонации (по сравнению с использованием песчаной забойки) передалась разрушаемому массиву
