Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса. цель и задачи исследования. обзор и анализ современных методов и средств дробления негабаритов 8
1.1 Взрывное разрушение негабаритов 8
1.1.1 Накладные заряды 8
1.1.2 Накладные кумулятивные заряды 13
1.1.3 Шпуровые заряды 16
1.2 Невзрывные (нетрадиционные) методы разрушения 19
1.2.1 Механические методы разрушения 19
1.2.2 Плазменное бурение 27
1.2.3 Электрофизические методы 28
1.2.4 Устройства ударно-проникающего типа 29
1.2.5 Термическое разрушение 31
2. Особенности физики взрывного разрушения негабаритов контактным взрывом 33
2.1 Распределение газодинамических параметров контактного взрыва на основе одномерного автомодельного решения 33
2.2 Взаимодействие фронта ударной волны контактного взрыва с границей раздела двух сред 43
2.3 Особенности физических процессов разрушения негабаритов контактным взрывом 48
3. Исследование влияния конструкции накладного заряда и характеристик применяемого взрывчатого вещества на параметры разрушения негабарита 52
3.1 Оценка параметров преломления детонационной волны в горную породу 52
3.2 Методика определения параметров преломления детонационных волн в окружающую среду 57
3.3 Определение параметров разрушения негабаритов при взрыве накладного заряда ВВ 59
3.5 Исследование влияния на параметры разрушения негабарита конструкции накладного заряда 67
4. Двухстадийное разрушение негабаритов с концентраторами напряжений и защитным устройством 77
4.1 Оценка влияния размеров концентраторов напряжений на прочность образцов горных пород и строительных материалов 77
4.2 Двухстадийное разрушения негабаритов накладными и кумулятивными зарядами взрывчатых веществ, размещенными в защитном устройстве 84
4.3 Определение термокинетических параметров и прочностных свойств горных пород. 101
5. Экспериментальные исследования дробления негабаритов накладными зарядами различной конструкции 106
5.1 Методика экспериментальных исследований 106
5.2 Производство экспериментальных работ по определению параметров волн напряжений от зарядов различных конструкций 112
5.3 Технико-экономическая оценка применения конструкции накладных зарядов с алюминиевой оболочкой 121
Заключение 124
Литература :
- Шпуровые заряды
- Устройства ударно-проникающего типа
- Взаимодействие фронта ударной волны контактного взрыва с границей раздела двух сред
- Исследование влияния на параметры разрушения негабарита конструкции накладного заряда
Введение к работе
Актуальность работы. Буровзрывные работы являются важнейшей составной частью процесса добычи полезных ископаемых. От качества дробления горной массы зависит эффективность работы всего горного предприятия. Несмотря на широкий ряд эффективных способов дробления горных пород взрывом, до сих пор не всегда удается обеспечить требуемое качество дробления горной массы. При производстве взрывных работ на карьерах наблюдается выход фракций, размеры которых могут не удовлетворять требованиям последующих технологических стадий производства. Такие фракции являются негабаритными и подлежат вторичному дроблению. Традиционным способом для разрушения негабаритов является использование энергии взрывчатого вещества (ВВ), несмотря на наличие альтернативных методов - в основном механического разрушения гидромолотами, применение которых не всегда экономически обоснованно. Основным методом дробления негабаритов является метод накладных зарядов. Данный метод отличается высокой производительностью и технологичностью. Однако метод требует большого удельного расхода ВВ 1,5-2кг/м3, что приводит к образованию интенсивных ударно-воздушных волн (УВВ), воздействие которых может привести к негативным последствиям для находящихся на пути распространения УВВ зданий и сооружений. Разработка способов и методов, позволяющих уменьшить количество энергии ВВ накладного заряда, переходящей в УВВ и напротив, увеличение доли энергии идущей на дробление негабарита является задачей настоящей работы.
Проблемам связанным с детонационными процессами и разрушением в различных средах при контактном взрыве посвящены работы В.В. Адушкина, А.А. Спивака, К.П Станюковича., Ф.А. Баума, Л.П. Оренко, М.Г. Менжулина, М.А. Нефедова, В.П. Коробейникова, В.Д. Алексеенко, В.Н. Родионова, Е.И. Шемякина, М.Ф. Друкованного, Б.Я. Светлова, Л.И. Дубнова, В.С. Никифоровского, М.А. Садовского, Г.И. Покровского и др.
Несмотря на большой объем и достигнутые успехи в этом направлении, до настоящего времени нет научно-обоснованного подхода к описанию процесса разрушения негабаритов горных пород накладными зарядами и методики определения минимального значения удельного расхода взрывчатого вещества, приводящего к разрушению негабарита до кондиционных фракций.
Цель работы. Разработка технологичного и экономически эффективного метода дробления негабаритных фракций и методики оценки параметров разрушения, позволяющего снизить удельный расход взрывчатого вещества и повысить безопасность взрывных работ.
Основные задачи работы:
Выполнить аналитический обзор современных методов дробления негабаритов.
Исследовать распределение энергии взрыва при контактном взрыве и особенности физики взрывного разрушения негабаритов.
Исследовать влияние на параметры разрушения негабарита конструкции накладного заряда и характеристик применяемого ВВ и разработать методику оценки размеров зон разрушения при взрыве накладных зарядов различной конструкции.
Исследовать процесс разрушения негабаритов накладными зарядами ВВ с концентраторами напряжений.
Провести экспериментальные исследования дробления негабаритов накладными зарядами различных конструкций.
Идея работы. Параметры разрушения негабарита необходимо определять путем оценки изменения давления на контакте с горной породой, и на этом основании находить эквивалентный заряд и размеры зон разрушения. Для снижения удельного расхода взрывчатого вещества необходимо применять конструкцию накладного заряда с алюминиевой оболочкой и осевым инициированием, позволяющую увеличить импульс взрыва, а так же искусственно созданные на негабарите концентраторы напряжений.
Научная новизна:
Установлена зависимость размеров зон разрушения в негабарите от параметров накладного заряда ВВ с различными детонационными характеристиками на основе исследования изменения давления на контакте с горной породой.
Установлена зависимость удельного расхода накладного заряда взрывчатого вещества, необходимого для развития магистральных трещин от параметров искусственных надрезов (концентраторов напряжений).
Защищаемые научные положения:
-
Для прогнозирования удельного расхода накладного заряда ВВ и зон разрушения в негабарите необходимо оценивать изменение давления на контакте горная порода – продукты детонации с учетом отличия распределения энергии контактного и камуфлетного взрывов и на основании этого находить эквивалентный заряд.
-
С целью снижения удельного расхода ВВ необходимо применять конструкцию накладного заряда с тонкой алюминиевой оболочкой и осевым инициированием, что позволяет увеличить удельный импульс взрыва на контакте с горной породой на 30-40%.
-
Увеличение коэффициента концентрации напряжений путем создания надрезов в месте установки накладного заряда, обеспечивает увеличение линии наименьшего сопротивления негабарита в 3-4 раза, что снижает удельный расход и повышает безопасность взрывных работ.
Методы исследований. Аналитическое исследование газодинамических процессов при взрыве накладного заряда ВВ. Определение прочностных свойств образцов горных пород в лабораторных условиях на приборе ИСМ–190 и определение трещиноватости на микроскопе МИР–2. Регистрация параметров волн напряжений при взрыве накладных зарядов различной конструкции с помощью цифрового осциллографа Tekronix TDS3034B с использованием пьезоэлектрических акселерометров и электромагнитных велосиметров. Лабораторные исследования по определению скорости роста трещин при разрушении образцов горных пород, на основе регистрации разрыва токопроводящих слоев.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обосновывается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации о контактном действии взрыва, физической обоснованностью постановки и решения задач, сходимостью в пределах погрешности измерений прогнозируемого и фактического качества дробления негабарита при рассчитанных параметрах разрушения.
Практическая значимость работы:
Разработана методика определения минимального значения удельного расхода накладных зарядов взрывчатых веществ, для разрушения негабаритов горных пород различных типов.
Разработана конструкция и установлены параметры накладного заряда взрывчатого вещества, для дробления негабарита позволяющего увеличить импульс взрыва на 30-40% и снизить удельный расход.
Разработана методика оценки влияния параметров концентратора напряжений, созданного в негабарите на размер зоны трещинообразования и удельный расход накладных зарядов взрывчатых веществ.
Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации по дроблению негабаритов предполагается внедрить на карьерах ЗАО «Гавриловское карьероуправление», ЗАО «Каменогорское карьероуправление», ООО «Промстройвзрыв», ООО «Евровзрывпром», «Афанасьевский карьер цементного сырья».
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на симпозиуме «Неделя горняка-2010» (МГГУ, г. Москва), на ежегодных научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» 2008-2010г.г. (СПГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург), заседаниях кафедры «Безопасности производств и разрушение горных пород» и НТСа СПГГИ (ТУ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ (все в изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ), получено положительное решение патента на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 134 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 16 таблиц, 118 формул и список литературы из 111 наименований. Автор выражает благодарность научному руководителю профессору М.Г. Менжулину, развитие идей которого, помощь и поддержка способствовали успешному выполнению работы, а также признательность сотрудникам кафедры Безопасности производств и разрушения горных пород и лично доцентам В.А. Артемову и А.Н. Холодилову за практические советы при написании диссертации.
Шпуровые заряды
К настоящему времени производителями предлагается множество типов ударных механизмов, основанных на преобразовании различных видов энергии (от гравитационной до энергии химических процессов) в механическую. В силу ряда причин, в основном экономических, к настоящему времени наиболее распространенным является механический способ разрушения негабаритов с использованием гидравлических и гидропневматических молотов [7]
Однако гидромолоты - изделия высокотехнологичные и требуют высокой культуры производства в процессе изготовления и строгого соблюдения технологического регламента при их эксплуатации. Кроме этого, при применении гидромолотов в качестве базовой машины используются гидроэкскаваторы, что ведет к увеличению стоимости процесса дробления негабаритов.
Разрушение с помощью гидромолота. В настоящее время существует большой ассортимент отечественных и зарубежных гидромолотов. Гидромолот является сменным видом рабочего оборудования гидравлических экскаваторов и других гидрофицированных машин (погрузчиках, манипуляторах и т.п.) соответствующей массы и грузоподъемности, а также при условии соблюдения требований к гидравлическому контуру [8]. Обычно навешивается на рукоять экскаватора вместо снятого ковша. Маневренность экскаватора обеспечивает экономичность использования гидромолота на рассредоточенных малых объектах. Работа гидромолота возможна в любом пространственном положении. Основное назначение - рыхление мерзлого грунта, дробление негабаритов твердых и горных пород, взламывание дорожных покрытий, неармированных и легкоармированных бетонных сооружений. Гидромолоты изготовляются обычно в исполнении для умеренного климата и работоспособены в диапазоне температур окружающего воздуха от -40С до +40С. Конструкция гидромолота обеспечивает его нормальную и безотказную эксплуатацию на рабочих жидкостях (маслах), выпускаемых в РФ. Уровень шума на рабочем месте оператора не превышает действующих в РФ санитарных норм. Окраска гидромолота, резинотехнические и пластмассовые изделия (уплотнения) должны сохраняться при температуре окружающего воздуха от -50С до +50С. Имеют несколько видов сменного инструмента: клин - для рыхления мерзлого грунта, взламывания дорожных покрытий; пика - для вскрытия бетонных покрытий и дробления негабаритов; трамбовка - для уплотнения талого грунта. Таблица 1.7. Основные типы гидромолотов и их технические характеристики.
Установка предназначена для дробления негабаритных кусков породы, разрушения шлаков, бетонных и строительных конструкций, вскрытия асфальтовых покрытий, рыхления мерзлоты и т.д. Установка состоит из транспортной базы, в качестве которой могут использоваться самоходные гусеничные и колесные экскаваторы и трактора (отечественного и иностранного производства) и дизельного молота. Применение данной установки позволяет механизировать процесс разделки негабаритов и исключить буровзрывные работы. Маневренность установки обеспечивает экономичность использования на рассредоточенных малых площадях и в стесненных условиях.
Альтернативой гидравлическим и гидропневматическим ударникам могут быть электромагнитные молоты [9]. Эти молоты позволяют создавать механические импульсные нагрузки с энергией единичного удара от 0,5.„2 до 30 кДж и частотой от 400.„600 до 2...4 ударов в минуту. Принцип их работы основан на преобразовании электрической энергии, аккумулируемой конденсаторной батареей, в механическую энергию подвижного якоря-ударника. Они имеют более простую конструкцию и меньшую массу и стоимость. В странах СНГ и в России работы по созданию импульсной техники и исследованию процесса разрушения пород с их помощью проводились и проводятся в ИГД СО РАН, ЦНИИС Минтрансстроя, КарГТУ, СКБ «Импульс» АН Кирг. ССР, ИГД им. А.А. Скочинского, ДонУГИ, МГГУ, КузГТУ, ОрелГТУ, ВИИстройдормаше, на Копейском машзаводе, УГГУ, МГТУ и других НИИ и вузах.
Более низкая стоимость по сравнению с гидромолотами. 4. Более просты в эксплуатации. Невзрывчатые разрушающие составы (НРС). Способ отличается полной безопасностью для окружающей среды, т.к. процесс разрушения не вызывает шума, не сопровождается сейсмическими колебаниями, выбросами твёрдых или газообразных продуктов. Способ не требует применения никаких видов энергии (ни электрической, ни пневматической). Метод основан на использовании модифицированной негашеной извести [55]. Путём совместного помола продукта обжига карбоната кальция и модифицирующих добавок получают невзрывчатые разрушающие материалы, содержащие оксид кальция в пределах от 65 и до 90..95% по массе. Невзрывчатое разрушающее вещество представляет собой порошок чаще всего белого или серого цвета, пылящий, негорючий, взрывобезопасный, обладающий щелочными свойствами (рН=12,5). При смешивании невзрывчатого разрушающего материала с водой образуется смесь (суспензия), которая, будучи залита в частично или полностью замкнутую полость (например, шпур) в каком-либо объекте, постепенно, в результате реакции гидратации порошка, твердеет и увеличивается при этом в объёме. Количество воды в порошке НРВ - 80 не должно превышать 30...35%. В противном случае давление расширения резко снижается. Увеличение объема сопровождается развитием давления от 50 до 150 мПа на стенки шпура, величина которого зависит от содержания в порошке СаО. При этом в теле разрушаемого объекта развиваются напряжения, значения которых может превышать его предельную прочность при растяжении, что и приводит к разрушению объекта. Эффект разрушения выражается в образовании в теле объекта трещин с их развитием во времени. Обычно образование трещин происходит в зависимости от температуры объекта и его характеристик в пределах от 12 до 20 часов. Чем выше предел прочности, тем больше время образования трещин.
Устройства ударно-проникающего типа
После определения баланса энергий предлагается находить радиус разрушения в среде по методике [27].
В работе [28] предлагается определять процент перехода энергии в воздух на основе данных об измерении параметров ударно-воздушных волн. И на основании этого прогнозировать количество энергии, идущей в горную породу.
Но при контактном взрыве распределение, энергии идущей в горную породу на различных расстояниях от поверхности отличается от камуфлетного. Это подтверждается исследованиями академика В.В. Адушкина и А.А. Спивака [29]. Ими были проведены модельные эксперименты со сферическими зарядами ТЭНа при различном заглублении, в том числе и при контактном воздействии. Так, авторы отмечают, что в разрушаемом объекте вне зависимости от заглубления существует такая зона радиусом а , в которой закон изменения максимальной массовой скорости одинаков при взрыве зарядов различного заглубления. Тем самым при преломлении детонационной волны в разрушаемую среду амплитуда возмущения зависит только от свойств среды и типа используемого ВВ. Но на расстояниях, превышающих величину а , параметры волн от зарядов различного заглубления оказываются различными, в частности при контактном взрыве они резко снижаются. Это связанно с действием волн разгрузки, распространяющихся от свободной поверхности, которые ослабляют параметры основной волны, особенно это, сказывается на длительности положительной фазы и характере ее нарастания. Такие волны распространяются в напряженной среде, и соответственно с большей скоростью, чем в разгруженном материале. Поэтому применение классической зонной модели разрушения горной породы при взрыве камуфлетного заряда для описания процессов разрушения контактным воздействием в полной мере не возможно. 2.3 Особенности физических процессов разрушения негабаритов контактным взрывом.
При контактном воздействии на поверхности разрушаемого тела в нем возникает ряд явлений, в том числе и необратимые разрушения [30]. Сжатие и сдвиг передаются от места контакта к другим элементам среды с разными скоростями волн сжатия и сдвига. Поле напряжений может быть представлено в следующем виде (рис 2.1). Заряд ВВ Зона трещинобразования
В среде возникает сферическая продольная волна Р, поперечные сферическая S и коническая К волны. Волна К является огибающей отраженных от поверхности волн сдвига S}. Продольная отраженная волна совпадает с прямой волной Р. По поверхности нагружения распространяется поверхностная волна Релея R.
Свободная от внешних воздействий тыльная сторона вносит изменения в волновую картину и поля напряжений и перемещений, при этом каждая из падающих волн, продольная или поперечная, отражается в виде двух указанных типов волн — Рр, Ps и Sp, Ss соответственно. Первые отраженные волны испытывают отражения от лицевой поверхности, далее происходят многократные отражения от обеих поверхностей негабарита. Названия последующих волн формируются следующим образом: к названию падающей волны добавляется буква р или s в зависимости от характера отраженной волны (продольная или поперечная соответственно).
Основную роль при разрушении негабаритов накладными зарядами имеет преломленная от заряда ударная волна. В ближней зоне к заряду имеет место превышение значением амплитудой волны напряжения, прочности породы на сжатие и как следствие интенсивное разрушение породы и переизмельчение породы. Разрушение и формирование кусков происходит в условиях множественного трещинообразования. В зонной модели принимается, что границей зоны дробления является расстояние от заряда, на котором касательное напряжение равно динамическому пределу прочности па сдвиг.
Далее по негабариту распространяется волна напряжений. В зоне радиального трещинообразования тангенциальные растягивающие напряжения превышают динамический предел прочности на растяжение и образуются радиальные трещины. Эта зона характеризуется, как зона первичного трещинообразования и в ней механизм разрушения изменяется. Если в зоне дробления разрушение происходило при образовании трещин сдвига, то в зоне трещинообразования образуется преимущественно трещины отрыва. Основным механизмом разрушения в этой зоне является развитие отдельных трещин и очень низкий уровень наведённой микротрещиноватости за счет термического механизма. В этой зоне практически отсутствует диссипация энергии и затраты энергии обусловлены образованием новых поверхностей, ограничивающих куски разрушенной породы. В этой зоне форма кусков определяется радиальными трещинами. Так же наблюдается образование кольцевых трещин вокруг заряда, обусловленные возвратным движением частиц породы. Критерием правильного выбора удельного расхода ВВ является отсутствие слияния радиальных трещин со свободной поверхностью негабарита [31]. За границей зоны трещинообразования все компоненты напряжения меньше пределов прочности породы.
При взаимодействии волны напряжений с торцевой (свободной) поверхностью негабарита образуется волна разрежения, которая распространяется обратно к заряду. Напряжения в волне разряжения сравнимы по абсолютной величине с радиальными напряжениями в падающей волне, но становятся растягивающими. При распространении волны разряжения от свободной поверхности в сторону заряда растягивающее напряжение в ней складывается со сжимающим напряжением ниспадающей части эпюры падающей волны напряжения. При этом суммарное напряжение остается растягивающим и увеличивающимся по абсолютной величине по мере удаления от свободной поверхности в сторону заряда. На некотором расстоянии от ребра негабарита суммарное растягивающее напряжение становится равным пределу прочности породы на растяжение и образуется поверхность откола. Слой среды между свободной поверхностью и поверхностью откола представляет собой первый откольный слой (рис.2.1.). Образовавшаяся поверхность откола играет роль новой свободной поверхности, на которой суммарное напряжение равно нулю, но в сторону заряда распространяется новая волна разряжения.
Такой процесс отделения слоев будет происходить до тех пор, пока суммарное напряжение будет больше или равным пределу прочности на отрыв. В результате образуется еще несколько слоев.
В результате многократных отражений и интерференции волн напряжений, так же может происходить подрастание радиальных трещин. В результате смыкание трещин образованных в ближней зоне и трещин в откольных слоях происходит разрушения негабарита. Газообразные продукты в разрушении практически не участвуют, но формируют ударно-воздушную волну и осуществляют перемещение раздробленной породы. При взрыве заглубленного негабарита отсутствуют свободные поверхности и откольные слои практически не образуются. Выводы по главе 2:
Взаимодействие фронта ударной волны контактного взрыва с границей раздела двух сред
Такой же должна быть и скорость частиц на фронте образовавшейся в окружающей среде ударной волны. Ударная адиабата горной породы описывается формулами Р = р0С,и или Рф =p0(Cv+ku)u. Конкретное выражение для ударной адиабаты горной породы принимается исходя из результатов вычислений значений Рф, которое должно быть максимальным.
При положении точки Рд, ид ниже ударной адиабаты горной породы для выполнения граничного условия равенства давлений и массовых скоростей частиц по обе стороны от границы раздела между ВВ и породой по продуктам детонации должна распространяться ударная волна вторичного сжатия, а в горной породе - ударная волна.
Принимая, что состояние продуктов детонации описывается адиабатой Пуассона и что параметры начального состояния среды при вторичном ударном сжатии определяются значениями параметров на фронте детонационной волны, получим соотношение для скорости частиц в продуктах детонации после преломления детонационной волны:
Эта скорость совпадает со скоростью на фронте преломлённой в горную породу ударной волны. Таким образом, давление в преломлённой ударной волне определится из соотношения: где ііф(Рф) описывается формулами (3.6) или (3.7), а их конкретное выражение выбирается из условия максимального из двух вычисленных значений Рф.
Определение параметров разрушения негабаритов при взрыве накладного заряда ВВ. Основной задачей при определении параметров волн напряжений, распространяющихся от взрыва накладного заряда в разрушаемой среде, является оценка изменения давления на контакте горная порода - воздух.
Для такой оценки использовано решение К.П. Станюковича [33] по определению импульса взрыва при отражении от стенки. Зависимость для определения падения давления на контактной поверхности с учетом сжимаемости среды: рт - плотность ВВ; и0 - начальная скорость границы раздела, определяется для конкретной горной породы и ВВ согласно методике, приведенной выше в гл.З и рассмотренной в работах [34,35]; р0Ср - произведение плотности и скорости звука в невозмущенной среде (акустический импеданс).
На рис. 1 представлены зависимости падения давления от времени для известняка и гранита при взрыве зарядов наиболее распространенного ВВ для дробления негабаритов - аммонита №6ЖВ и наиболее перспективного для этих целей - гельпора. Началом падения от величины начального давления р0 считается время t0= —. Так же на рис. 1 .представлен импульс / взрыва зарядов длиной 0,1м, переданный горной породе за 70 мксек. Импульс на преграде за время t определится:
Из приведенных зависимостей видно, что изменение давления и соответственно импульс продуктов взрыва на контактной поверхности зависит от характеристик среды и параметров заряда ВВ. Причем на контакте с более жесткими породами давление падает быстрее. В свою очередь давление на контакте при использовании ВВ с большими детонационными характеристиками падает за большее время, и позволяет передать преграде больший импульс, как следствие вызвать большие разрушения. Данная задача решена авторами [33] для одномерного случая, на практике с учетом бокового разлета продуктов детонации при вычислении массы необходимо учитывать только его активную часть в нашем случае активную длину заряда
График падения давления на контактной поверхности при взрыве зарядов ВВ длиной и диметром 0,1м: 1) гранит — гельпор 7 =171184 Н сек; 2) гранит - аммонит №6ЖВ 7=87411 Н- сек; 3) известняк - аммонит №6ЖВ I =78033 Н -сек; 4) известняк - гельпор 7=179211 Н -сек. Но очевидно, что для прогнозирования разрушения горной породы при контактном взрыве определение импульса не достаточно. Для этого предлагается сравнить приведенное выше решение для изменения давления на контакте с горной породой и хорошо изученное действие взрыва заряда камуфлета.
Основные зависимости для определения параметров разрушения при взрыве камуфлетного заряда использованы из работ [27,29].
Критерием разрушения негабарита является совмещение зоны трещинообразования и толщины откольных слоев. В данном случае это условие выполняется.
По приведенной выше методике можно определить 3.5 Исследование влияния на параметры разрушения негабарита конструкции накладного заряда При методе накладных зарядов широко применяются россыпные заряды аммонита №6ЖВ. Данное ВВ плотно прилегает к поверхности и имеет хорошую адгезию к горной породе. К недостаткам можно отнести слеживаемость из-за высокой гигроскопичности, а так же вредное влияние на взрывников пыли порошкообразных аммиачной селитры и тротила. Несмотря на наличие пакетированных и патронированных зарядов из других порошкообразных ВВ, и появившихся недавно гелеобразных и эмульсионных ВВ, основным применяемым ВВ для дробления негабарита является аммонит №6ЖВ. Поэтому нахождение оптимальных параметров для данного ВВ является актуальной задачей.
Как было показано выше важнейшим параметром накладного заряда, влияющим на эффективность дробления негабарита, является скорость детонации используемого взрывчатого вещества. Таким образом, основной задачей при выборе конструкции накладного заряда является обеспечение детонации с максимально возможной скоростью. Как известно скорость детонации ВВ зависит от плотности, достигая своего предельного значения (идеальная детонация), но стоит отметить, что для аммонита №6ЖВ существенное влияния на такую связь оказывают размеры частиц компонентов [38]. Так для мелкодисперсного по составу аммонита скорость детонации растет вплоть до плотности 1,7г/см3, хотя на практике она практически не достижима, а для грубодисперсного после плотности 1,1-1,2 г/см3 наблюдается спад скорости детонации. Так же, важно учитывать зависимость скорости детонации от диаметра заряда, для аммонита такие экспериментальные зависимости получение авторами работ [38,31,39,40] приведены на рис. 3.8.
Исследование влияния на параметры разрушения негабарита конструкции накладного заряда
Для прогнозировании развития исскуственного концентратора до магистральной трещины в разделе 4.1 и 4.2 предлагается использовать методики Гриффитса (4.14) или Нейбера (4.10). Но для более точного описания условия разрушения требуется устанавливать прочностные и термокинетические параметры разрушаемых горных пород [54].
Современное учение о разрушении нагруженных твердых тел не завершено даже в своей принципиальной основе - не выяснены физическая природа и критерии элементарного события. Так же остается открытым вопрос определения прочности горных пород при динамическом нагружении.
Физической основой кинетической теории механического разрушения явились экспериментальные данные по временной и температурной зависимости прочности твердых тел [57,58,59]. Было установлено, что при заданном напряжении прочность зависит от длительности пребывания исследуемого материала в напряженном состоянии. Прочность при малом времени нагружения выше, чем при длительном нагружении.
Наиболее простой и легко определяемой величиной может стать величина долговечности т твердых тел под нагрузкой, т.е. время существования тела в нагруженном состоянии с момента приложения нагрузки до его разрушения. С точки зрения кинетической концепции разрушения, долговечность может служить фундаментальной характеристикой прочности испытуемого материала. Долговечность зависит от приложенного напряжения и температуры.
При кинетическом подходе разрушение рассматривается как реально развивающийся во времени процесс (процесс накопления нарушений) и характеризовать этот процесс каким-либо критическим напряжением нельзя. Естественно характеризовать его некоторой скоростью процесса (скоростью накопления нарушений), либо временем, за которое процесс развивается до распада тела на части.
В кинетической теории прочности долговечность разрушения Г определяется формулой академика С.Н. Журкова. энергия активации разрушения, Дж/моль. / - структурный коэффициент, Дж/м2 т0 - период колебаний молекул в монолитной среде,( то 10"13 сек"1), к - постоянная Больцмана кТ =2463 Дж/моль при нормальных условиях а - приложенная нагрузка, Па.
Для подтверждения эффективности термокинетической теории прочности были проведены испытания с образцами гранита. Определение размеров микротрещин в образцах горной породы (одна из частей отполирована) выполнялось с помощью микроскопа МИР-2. [60,61].
В шести различных зонах образца измерялось число трещин различной длинны. По результатам измерений строился график распределение трещин по размерам (рис.1), и, исходя из этого, принималась эффективная длина трещины. Эффективной считаем наиболее распространенную длину трещины.
Сравнения экспериментальных результатов с расчетными значениями представлено в фафическом виде (рис. 4.25).Диапазон расчетных кривых построены с учетом разных эффективных длин трещин. Из графика видно, что наиболее важные факторы, оказывающие влияние на прочность горных пород - это длительность нагружения и размеры эффективной трещины.
1. Для прогнозирования разрушения в условиях концентрации напряжений наилучшее совпадение с экспериментом дает методика Нейбера.
2. Увеличение коэффициента концентрации напряжений путем создания на поверхности негабарита надрезов в месте установки накладного заряда позволяет усиливать действие напряжений, и тем самым увеличивать размер зоны трещинообразования в 3-4 раза и снижать удельный расход, значительно повысив безопасность взрывных работ.
3. Применение защитного устройства для дробления негабарита в условиях концентрации напряжений позволяет снизить удельный расход в 5-6 раз, но требует повышенной прочности конструкции.
Для подтверждения достоверности защищаемых научных положений диссертации были проведены экспериментальных исследования в частности инструментальных измерений параметров волн напряжений, распространяющихся при дроблении негабаритов накладными зарядами различных типов, в соответствии с индивидуальным учебным планом работы для подготовки заключительных разделов диссертации, раскрывающих суть исследований.
При поочередном взрыве зарядов различных конструкций, фиксируются параметры с вышеперечисленных датчиков. На основании полученных данных делается вывод о балансе энергий при различных соотношениях плотностей заряд-порода-среда при контактном взрыве. Сигналы с датчиков обрабатываются на цифровом осциллографе Tektronix TDS 3034В.
Определение скорости роста трещин на негабарите. Для определения скорости распространения трещины был разработан прибор, фиксирующий как элементарное событие разрыв проводника приклеенного к негабариту. Прибор имеет восемь каналов. Сигнал о разрыве одного из восьми проводников выводится на осциллограф или АЦП, разрядность которых позволяет оперировать событиями в диапазоне миллисекунд. По расстояниям между проводниками и длительностью между пиками в осциллограммах на различных каналах можно определить скорость развития процесса разрушения, что представляет собой скорость роста трещины. Детектор предназначен для измерения временных интервалов при образовании трещин в деформируемых материалах.
Технические характеристики детектора: Временное разрешение схемы не хуже- 20 нсек Потребляемая мощность от источника питания- 0.5Вт Интервал рабочих напряжений питания- 9н-40В Кол-во каналов- 8
Детектор реализован на микросхемах логики серии 74НСТ, обладающей высоким быстродействием и малым энергопотреблением. Напряжение питания 5В формируется микросхемой IC4.
В исходном состоянии все проволочки закреплены ортогонально направлению развития предполагаемой трещины. Один конец всех проволочек соединён с общим проводом электронной схемы (землёй). Другие концы проволочек подключены соответственно к входам инверторов и шунтируют входы на землю, т.к. сопротивления проволочек примерно в 1000 раз меньше сопротивления резисторов, подвешивающих входы под потенциал питания. Сформированные сигналы от каждой проволочки подаются на 8 входовую схему реализующую логическую функцию И, которая при обрыве первой (любой) проволочки сформирует импульс запуска осциллографа на разъёме К1. Эти же сформированные сигналы ещё 109 раз инвертируются для того, чтобы разрыв проволочки был представлен на экране осциллографа импульсом с фронтом положительной полярности. Т.к. для нормальной работы схемы в исходном состоянии все проволочки должны замыкать входы на землю, неиспользуемые каналы с помощью симулятора проволочек на микросхеме IC7 подключаются к "земле". Кроме того, симулятор позволяет проверять работоспособность схемы без проволочек. Для статического визуального контроля каналов с помощью микросхемы IC6 включён светодиодный индикатор на диодах Д1-Д8. Исследуемые сигналы подключаются к осциллографу через разъём (клеммы) К2. Импульс запуска осциллографа подаётся с разъёма К1.
Начальная трещина на негабарите создается искусственно механическим инструментом. Проводники крепятся на быстротвердеющий клей, перпендикулярно предполагаемому направлению роста трещины.
