Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований процесса деформирования и разрушения горных пород при взрывном нагрушии 14
1.1. Исследования нарушенности слагающих массив горных пород при ведении взрывных работ на карьерах 14
1.2. Влияние многократных динамических нагрузок на снижение прочности горных пород 28
1.3. Задачи исследования 35
2. Эксперементальные иследования амплитудно-временных параметров сейсмовзрывных волн и их действия на слагающие массив отдельности 37
2.1. Методика и аппаратура экспериментального определения параметров взрывных волн 37
2.2. Результаты измерения параметров взрывных волн и движения отдедьностей крупноблочного гранитного массива при взрыве скважинных зарядов ВВ 48
3. Эксперементальные исследования действия многократных динамических нагрузок на прочность гранита 58
3.1. Методика и аппаратура исследования снижения прочности образцов гранита при повторных динамических нагружениях 58
3.2. Результаты и анализ исследований влияния многократных воздействий импульсов напряжения на снижение прочности гранита при растяжении .72
3.3. Теоретическая оценка изменения прочности горной породы от параметров неразрушающей
ее взрывной нагрузки 82
4. Исследования процесса развития макротрещин и снижения прочности породных отдельностей при многократных неразрушающих нагружениях 90
4.1. Теоретическая оценка напряженного состояния породной отдельности, расположенной на упругом основании при разрушении ее клиновидным ударником 92
4.2. Экспериментальные исследования развития нарушенностей и снижения прочности гранитных отдельностей при их многократных нагружениях 96
4.3. Исследования влияния взрывных нагружений на прочность отдельностей гранитного массива за контуром взрываемых блоков 109
Выводы 127
5. Методика выбора параметров бвр для щадящих массовых взрывов, обеспечивающих попутную добычу породных отдельностей, пригодных для изготовления облицовочных материалов, на карьерах нерудных строительных материалов 129
5.1. Алгоритм расчета коэффициента техногенной нарушенности слагающих массив горных пород 129
5.1,1. Назначение блок-схемы алгоритма 129
5.1.2. Описание блок-схемы алгоритма расчета 130
5.2. Выбор параметров БВР для шадяших массовых взрывов, обеспечивающих попутную добычу породных отдельностей, пригодных для изготовления облицовочных материалов 133
5.3. Расчет параметров БВР для шадяших массовых взрывов, обеспечивающих попутную добычу кондиционных отдельностей гранита в условиях Павловского ГОКа 140
5.3.1. Расчет параметров БВР для взрываемых блоков, близлежащих к охраняемому участку 140
5.3.2. Расчет параметров БВР для шадяшего массового взрыва в участке с сохраненными отдельностями в массиве 143
Заключение 147
Литература 149
Приложения:
- Влияние многократных динамических нагрузок на снижение прочности горных пород
- Результаты измерения параметров взрывных волн и движения отдедьностей крупноблочного гранитного массива при взрыве скважинных зарядов ВВ
- Результаты и анализ исследований влияния многократных воздействий импульсов напряжения на снижение прочности гранита при растяжении
- Экспериментальные исследования развития нарушенностей и снижения прочности гранитных отдельностей при их многократных нагружениях
Введение к работе
В решениях партии и правительства неоднократно указывалось на необходимость бережного, рачительного использования минеральных ресурсов страны, внедрения прогрессивной техники и технологии JlJ'.
Программа экономического развития СССР на П«ю пятилетку и на период до 1990 года ориентирует горнодобывающее производство на повышение .производительности перерабатывающих комплексов путем увеличения выхода готовой продукции в результате комплексного использования перерабатываемого минерального сырья и внедрения безотходных технологий.
В разделе "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", утвержденном ХХУІ съездом КПСС, перед народным хозяйством страны, в том числе и в области горнодобывающего и перерабатывающего производства, поставлена задача "... разработать и внедрить комплекс мероприятий по экономии ресурсов, включая применение прогрессивной техники, малоотходной и безотходной технологии".
л/.
Поставленная задача включает разработку вопроса комплексного использования сырья карьеров нерудных строительных материалов, в том числе гранитов, с целью попутной добычи негабаритов, пригодных для использования их в качестве сырья при производстве облицовочных материалов. Постановка данного вопроса вызвана значительным отставанием производства облицовочных материалов от их потребности в стране, а также задачей значительного уменьшения существующего дефицита облицовочных материалов и полного удовлетворения потребности в них. Баланс потребности и производства
- б -
облицовочных изделий из природного камня (тыс.Л по данным Союзгипронеруд представлен в табл.1.
Таблица I
Одной из важнейших причин, сдерживающих темп производства
облицовочного камня, является отставание техники и технологии и обусловленное этим отставание объемов добычи отдельностей, пригодных для производства облицовочных материалов. Наибольший дефицит производства облицовочного камня по месторождениям имеется в Центральном и Центрально-Черноземном, Волго-Вятском, Поволжском и ряде других экономических районов страны. Около 60% добываемых блоков перевозятся на расстояния в 500 км и более и около 40$ обрабатываются вблизи мест добычи.
Существующие мощности камнеобрабатываюших заводов в ряде случаев недоиспользуются из-за отсутствия сырья. Затраты на сырье составляют от 25 до 70% себестоимости облицовочных плит. Поэтому весьма актуальным является изыскание дополнительных источников сырья, для использования которого не требовалось бы значительных капитальных вложений.
Государственный комитет Совета Министров СССР по науке и технике определил в качестве одного из направлений работы института ВНИШШстромсырье разработку технологии получения облицовочных материалов из негабаритов, образующихся на карьерах по добыче сырья для производства шебня, а также разработку средств для управления действием взрыва в горных породах.
Во ВНИПИИстромсырье /2,3,4/ были проведены первые исследования по разработке общей технологии использования негабаритов на основе геометризации месторождений, новых способов ведения взрывных работ, систем оценки нарушенности массива и блоков горных пород при взрывных работах, обеспечивающих создание инженерных методов расчета параметров взрывных и выемочно-погрузочных работ. В результате проведенных исследований было осуществлено опытное опробование негабаритов для получения облицовочных материалов, подтвердившие возможность их использования в качестве
сырья для изготовления облицовочных плит. Результаты этих исследований приведены в табл.2.
Таблица 2 Результаты опытного опробования негабаритов для получения облицовочных материалов (данные ВНИПИИстромсырье, 1976-78гг)
Месторождение {Объем распи-,Камнеобраба-
ленныхчбло- тываюпше з-ды [ков, vr
Щолучено плит, м2
Т^глунские доле- 4.42
риты 83
4.3,
54,2
14.75 175
3.25 29,3
1.0 2,6
12.68
II.9 193,8
2,9 24,55
Жирновские известняки
Трахилипариты, г.Змейка
Касимовские известняки
Березовские известняки
Малеевские известняки
Замчаловские песчаники
Шкурлатовские граниты
|Выход,Выход плит ['шит,{после: %%
)/о .-
,Распи-,Фрезе-jловки іровки
! !
Однако, для достоверного прогнозирования качества получаемых негабаритов при производстве массовых взрывов необходимо знание закономерностей формирования нарушенностей в массиве горных пород при ведении взрывных работ.
Исследования, выполненные в области взрывной подготовки
скальных пород к выемке, своей первоочередной задачей ставили повышение качества дробления породы в массиве с целью повышения производительности горнотранспортного оборудования и совершенствования технологии разработки полезных ископаемых и ведения взрывных работ. Значительный вклад в решение проблемы интенсификации дробления горных пород энергией взрыва внесли видные советские ученые: академики; - Н.В.Мельников, М.А.Лаврентьев, М.А.Садовский, В.В.Вкевский; доктора техн.наук, - Е.Г.Баранов, Л.И.Барон, О.Е.Власов, А.А.Вовк, Г.П.Демидюк, М.Ф.Друко-ванный, Э.И.Ефремов, В.М,Комир, Б.Н.Кутузов, Ф.И.Кучерявый, В.Н.Мосинец, Л.Н.Марченко, Э.О.Миндели, Г.П.Покровский, В.Н.Родионов, А.Ф.Суханов, Н.У.Турута, А.Н.Ханукаев и др. Положительные результаты этих исследований нашли применение в совершенствовании технологии взрывной подготовки горных пород при добыче полезных ископаемых.
Анализ современных достижений в области взрывного разруше-ния горных пород и углубления познаний физической сущности процесса взрывного разрушения неоднородной среды указывают на возможность рационального использования энергии взрыва для решения проблемы создания безотходной и малоотходной технологии разработки строительных материалов, в том числе повышения эффективности добычи гранитных блоков при массовых взрывах.
Однако, до настоящего времени, разработка способов попутной добычи кондиционных блоков, пригодных для изготовления облицовочных материалов из негабаритов, образующихся при взрывах рыхления, затруднена из-за невозможности производства количественной оценки снижения качества отдельностей, слагающих массив горных пород и формирования в них техногенной нарушенности, генерированной волнами напряжения при массовых взрывах. Необходимо зна-
-ІО-
ние степени нарушенности негабаритных камней в зависимости от параметров воздействующих на них неразрушаюших взрывных нагрузок, так как использование их для производства облицовочных материалов нередко оказывается невозможным из-за возникновения значительной микротрепшноватости в отдельностях и снижения их предельной прочности при производстве массовых взрывов. Поэтому разработка способа производства массовых взрывов, обеспечивающих попутную добычу гранитных отдельностей, пригодных для производства облицовочных материалов, является актуальной научной задачей.
Целью работы является установление закономерностей разрушения и снижения прочности отдельностей гранитного массива при массовых взрывах волнами малой амплитуды, позволяющее разработать способ ведения буровзрывных работ, обеспечивающих попутную добычу отдельностей горной породы, пригодных для производства облицовочных материалов, применение которого позволит повысить добычу сырья для камнеобрабатываюших заводов без существенных капитальных вложений.
Идея работы заключается в учете влияния многократного воздействия взрывных волн малой амплитуды, генерируемых массовыми взрывами, на снижение прочности отдельностей, слагающих гранитный массив.
Научная новизна работы заключается в установлении количественных обобщающих закономерностей влияния сейсмовзрывных волн на снижение прочности гранита, позволивших разработать метод прогноза снижения прочности отдельностей, слагающих массив, при ведении взрывных работ на карьерах.
Научные положения, защищаемые в работе: -впервые установлена обобщающая закономерность гиперболического
- II -
типа снижения предела прочности гранита на растяжение в зависимости от амплитуды и числа импульсов нагружения;
установлен новый факт в зависимостях прочности горных пород от многократных нагружений: выяснено, что в граните образование третин вдоль сжимающих нагрузок в результате воздействия волн напряжений малой амплитуды происходит при снижении предела прочности его на растяжение на 70-80$;
разработан критерий оценки пригодности гранитных отдельностей для изготовления облицовочных материалов, новизна которого заключается в использовании при оценке степени снижения прочности гранита на растяжение;
разработан способ производства массовых взрывов, обеспечивающий снижение прочности гранитных отдельностей в массиве до заданной величины.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- удовлетворительным согласованием расчетов на основе тео
рии Гриффитса и кинетической прочности твердых тел закономерно
стей снижения прочности гранита от амплитуды, числа и длительно
сти неразрушаюших импульсов напряжения с результатами соответст
вующих экспериментальных исследований в лабораторных условиях
на образцах и в натурных - на отдельностях (максимальное расхождение не превышает 20%);
удовлетворительным согласованием прогнозной оценки снижения прочности гранитных отдельностей под действием массовых взрывов с данными натурных измерений фактического снижения их прочности в промышленных условиях;
положительными результатами внедрения разработанной "Методики выбора параметров БВР для шадяших массовых взрывов, обе-
спечивагопшх попутную добычу породных отдельностей, пригодных для изготовления облицовочных материалов, на карьерах нерудных строительных материалов МПСМ РСФСР".
Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении закономерностей снижения прочности отдельностей, слагающих массив горных пород, в зависимости от амплитуды, числа и длительности взрывных импульсов нагружения, развивающих современные представления о закономерностях деформирования и разрушения горных пород взрывными волнами, генерируемыми массовыми взрывами на карьерах.
Практическое значение заключается в разработке метода прогноза снижения прочности отдельностей гранитного массива под действием взрывных волн, на основе которого разработана "Методика выбора параметров БВР для шадяших массовых взрывов, обеспечивающих попутную добычу породных отдельностей, пригодных для изготовления облицовочных материалов на карьерах нерудных строительных материалов МПСМ РСФСР", позволяющая рассчитывать рациональные параметры БВР, при которых обеспечивается попутная добыча кондиционных отдельностей как источник дополнительного сырья для производства облицовочных материалов (см.приложение 5).
Кроме того, указанный метод может быть использован для оценки устойчивости бортов карьеров и для прогноза выхода различных фракций шебня при переработке горной массы.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
"Методика выбора параметров БВР для шадяших массовых взрывов, обеспечивающих попутную добычу породных отдельностей, пригодных для изготовления облицовочных материалов, на карьерах нерудных строительных материалов МПСМ РСФСР" принята институтом
- ІЗ -
Союзгипронеруд для проектирования второй очереди расширения Павловского опытно-промышленного камнеобрабатываюшего цеха (см.приложение 6,7).
Апробация работы. Основные положения диссертационной рабо* ты докладывались на УШ Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1984); ХШ научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в ИПКОНе АН СССР (Москва, 1984); научно-технических советах Павловского ГСКа МПСМ РСФСР и научно-техническом совете Союзгипронеруд.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 118 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 145 наименований и 57 страниц приложений.
Работа выполнена в Московском горном институте в соответствии с координационным планом МПСМ РСФСР по заданию Р3.08.Л.ОВ. Материалы диссертации помешены в научные отчеты Московского горного института. Промышленные исследования выполнены на Павловском ГСКе, а внедрение осуществлено в Союзгипронеруде.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю, доц.,докт.техн.наук Крюкову Г.М., а также сотрудникам кафедры Разрушение горных пород взрывом Московского горного института и инженерно-техническим работникам Павловского ГОКа за большую помошь при проведении лабораторных и опытно-промышленных исследований.
Влияние многократных динамических нагрузок на снижение прочности горных пород
В настоящее время сопротивление твердых тел периодическим нагрузкам достаточно полно изучено на металлах. Усталости металлов посвяшены работы Н.Н.Давиденкова, Н.Н.Афанасьева, И.А.Один-га, В.С.Ивановой, Г.И.Погодина-Алексеева, А.Велера, В.Вейбулла и др.
Исследования /24,50,80/ показали, что при усталостном разрушении металлов преобладает хрупкий характер разрушения. Характер разрушения большинства горных пород при кратковременных динамических нагрузках аналогичен характеру разрушения металлов. Поэтому, несмотря на отличие физико-механических свойств горных пород и металлов, физическая сущность усталостного разрушения металлов представляет значительный интерес при изучении действия многократных динамических нагрузок на прочность горных пород.
В настоящее время не существует единой теории усталостного разрушения металлов. В основу современных понятий усталостного разрушения металлов положены дислокационные представления физики твердого тела /80,144/. Суть статистической теории усталостного разрушения, развитой в трудах В.В.Болотина, Н.Н.Афанасьева, С.Д.Волкова, состоит в неравномерной напряженности отдельных зерен в поликристаллическом теле. В работе /82/ установлено, что при усталостных испытаниях остаточные деформации возникают и распространяются только лишь в ограниченном числе кристаллов, имеющих дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Разрушение металлов вследствие многократных нагружений при напряжениях ниже предела прочности и предела текучести возможно при достижении критической плотности дефектов кристаллической решетки.
Авторы /85,145,86/ различают "хрупкие" трешины, связанные с нарушением самого зерна, и "вязкие" с дислокационными скоплениями в границах зерен. В исследованиях /87,88/ установлено, что предел усталости для однофазных металлов увеличивается с уменьшением зерна, а разрушение имеет преобладающий "хрупкий" характер. На процесс усталостного разрушения влияет структура тела, наличие неоднородностей, являющихся концентраторами напряжений, а также анизотропия, вид напряженного состояния и масштабный эффект.
Процесс усталостного разрушения поликристаллических тел делится на три периода: инкубационный (I), период развития субмик роскопических третин (П) и период развития микротрешин до размеров макротрешин (ПІ). Электронно-микроскопические исследования показывают, что в 1-м периоде происходит накопление упругих искажений кристаллической решетки. Во П-м периоде при достижении критической плотности дислокаций начинают проявляться субмикро- скопические трешины, происходит нарушение межатомных связей и развитие микротрешин ./83,89,123/.
В то время как первые два периода вносят незначительный вклад в процесс деформирования,определяющая роль в динамическом разрушении горных пород принадлежит Ш-ему периоду. При этом, напряжения локализуются на естественных микродефектах, статистически распределенных в породе, вызывая их интенсивное развитие.
Усталостные свойства горных пород исследовались при пульсирующих динамических нагрузках, параметры которых определяются коэффициентом асимметрии цикла р,= б/бь числом циклов в единицу времени, гармоничностью нагружения; амплитудами нагру-жений ( О } б ). Эти исследования показали, что горные породы выдерживают значительно меньше циклов до разрушения, чем металлы. Для каждого типа горных пород существует условное значение предела усталости (циклической прочности).
Авторами /148/ определен предел циклической прочности при сжатии бетонных цилиндров, который составил 0,6[б ] предела прочности при сжимаюших статических нагрузках. При этом параметры циклической нагрузки составили: частота 1000 нагружений в минуту, р = 0, числом циклов 10-10 .
В работах /91,92/, проводимых на бетонных кубиках при сжатии с р{- 0 и частотой 26-92 нагружения в минуту установлено, что предельные прочностные характеристики составляют около 50% статической прочности материала, а с увеличением числа циклов с до 200-1000 в минуту усталостная прочность бетона возрастает.
М.П.Мохначев ./81/ отмечает, что при однократном динамическом воздействии возникает так называемое вторичное поле напряжений, обусловленное неоднородностью структуры. При циклических нагрузках это поле напряжений меняется от цикла к циклу. Вследствие быстрой смены нагрузок процесс микротрешинообразования отстает от изменения напряжений и не все микротрешины, возникаюшие при нагружении, успевают "захлопнуться" при разгрузке. Трешины отрыва в этом случае могут возникнуть раньше, чем при однократном действии нагрузки.
В исследованиях Э.О.Миндели, М.П.Мохначева и М.М.Протодьяко-нова /94-96/, проведенных на горных породах при сжимагопшх пульсирующих нагрузках при О =0 и числе пульсаций 500 в минуту, установлено, что статическая прочность превышает циклическую: для гранита - в 1,41, базальта - 1,34 и песчаника - в 1,54 раза, т. е. циклическая прочность в среднем на 30-50% ниже статической, причем слабая порода характеризуется более резким снижением прочности с увеличением числа циклов, чем крепкая.В работе /92/ проведены усталостные испытания мрамора, песчаника и габбро при растягиваюших нагрузках. В результате исследований установлена зависимость изменения циклической прочности породы, приведенной к статическому пределу прочности, от числа
Результаты измерения параметров взрывных волн и движения отдедьностей крупноблочного гранитного массива при взрыве скважинных зарядов ВВ
Обработка результатов сейсмических измерений производилась по известной методике /28,119,58/. На сейсмограммах измерялись максимальные амплитуды скорости смешения, а также длительности импульсов колебаний и их фронтов нарастания.
Полученные осциллограммы массовой скорости (вертикальные и горизонтальные масштабы для всех осциллограмм одинаковы) показа ны на рис.2.5. На рисунке видно, что на любой осциллограмме зафиксировано по несколько периодов колебаний, причем наиболее вы-сокоамплитудные из них нигде не являются первыми.
Зависимости измеренных максимальных значений амплитуд коле о баний от приведенного расстояния Н показаны на рис.2.6. Приэтом величина приведенного расстояния R подсчитывалась по формуле У2І/:где Г - расстояние от места регистрации до зарядов ВВ, и;Q - масса взрываемых зарядов ВВ, кг.
Значения U вектора массовой скорости подсчитаны по значениям его радиальной U и вертикальной U компонент по формуле:
Отметим, что численные значения U лишь ненамного превышают значения U. , ибо доля вертикальной компоненты U в U мала, так как максимум для этой компоненты не совпадает по фазе с максимумом для компоненты U- . Количественная зависимость значения и от приведенного расстояния /V выражается эмпирической формулой:найденной по экспериментальным точкам методом наименьших квадратов.
Зависимости обшей длительности гСимп наиболее высокоамплитудных колебаний в эпюрах массовых скоростей и длительностей фронтов Т этих колебаний от приведенного расстояния /? показаны на рис.2.7. Видно, что с увеличением расстояния импульсы "расплываются", т.е. становятся более протяженными во времени, и по форме не остаются подобными. Графики функций Тиш Z = (R ) имеют одинаковый наклон к оси абсцисс. Эмпирические зависимости их от А5 выражаются формулами:
Приближенно расчет максимальных значений напряжений бпо максимальным значениям массовой скорости U выполнялся поформуле ./20/:где р - лотность, кг/м3;V - скорость продольных волн, м/с,и в зависимости от приведенного расстояния имеет вид:
Для проверки того, что в ходе эксперимента не были превышены рабочие (паспортные) значения интервалов смешений якорей датчиков ВИБ, осциллограммы массовых скоростей были графически проинтегрированы. Результаты представлены на рис.2.8. Видно,что наибольшие наблюдавшиеся смешения S не превышали 1,2 мм, что намного меньше смешений, допускаемых для датчиков ВИБ их техпаспортами (+10 мм). Эмпирическая зависимость S={R ) представлена на рис.2.9, и суммарное значение смешений выражается формулой:
И, наконец, для решения вопроса о том, что именно под действием взрыва соударяются в массиве слагающие его отдельности, были определены амплитуды и направления полных векторов смешений в различные моменты времени для всех четырех значений приведенных расстояний, на которых выполнялись эксперименты. Вычисления направлений и амплитуд этих векторов выполнялись графи соответствует движению- в сторони сВоЬодной поверхности. направление вправо -дВижению от взрыва. чески, геометрическим построением по методике /120/, исходя из ранее определенных эпюр смешений. Результаты представлены на рис.2.10. Из этих графиков видно, что отдельности смешаются под действием взрывных волн по сложным спиралевидным траекториям.
Таким образом, полученные данные позволяют охарактеризовать возбуждаемое единичным взрывом и действующее на любую отдельность массива поле динамических напряжений как состоящее из последовательности единичных затухающих колебаний (в среднем 5 колебаний) со средней длительностью каждого колебания 1,0 мс и максимальной амплитудой, связанной с приведенным расстоянием формулой (2.5), причем каждая слагающая массив отдельность испытывает действие этого поля поочередно всеми своими гранями.1. При распространении в скальном массиве взрывных волн от скважинных зарядов ВВ слагающие массив отдельности совершают сложные движения по спиралевидным траекториям, что приводит к их последовательному соударению друг с другом практически всеми своими сторонами.2. Зависимости основных параметров взрывных волн от вели 0чины приведенного расстояния И имеют вид:- для максимального амплитудного значения массовой скоросг для средней длительности фронта нарастания отдельных колебаний эпюры массовой скорости Тэпюры массовой скорости Т„. .„- для максимальной абсолютной величины смешения точек мас
Результаты и анализ исследований влияния многократных воздействий импульсов напряжения на снижение прочности гранита при растяжении
Распределение напряжений в образце породы находилось путем графического анализа процессов отражения упругой волны с учетом следующих теоретических предпосылок.
В момент удара бойка по концу стержня в последнем возникает плоская продольная упругая волна с амплитудой напряжения О . Согласно теории одномерных продольных упругих волн в стержнях /135/ плоские поперечные сечения остаются плоскими, а имеютсятолько осевые напряжения, равномерно распределенные по поперечному сечению. На границе раздела I двух сред с разными акустическими жесткостями ОС возникают отраженная О и прошедшая б! волна напряжений. Поскольку граница раздела параллельна фронту волны, то другие виды волн не возникают.
На плоскости плотного контакта волновода и образца породы будет выполняться кинематическое условие - равенство абсолютных скоростей смешения частиц и динамическое условие - равенство сил. Математически оба условия запишутся в виде ./1367:где Sf - плошадь сечения стержня-волновода;S2 - плошадь сечения образца; V V V9 - скорость частиц в падаюшей и отраженной волнах в волноводах, а также в прошедшей в образец волне; б ,б ,б - напряжения в падаюшем и отраженном импульсах в волноводе, а также в прошедшем в образец импульсе. Для расчета амплитуд волн с учетом отражений от поверхности системы "волновод-образец-свинец" воспользуемся уравнениями (3.7), (3.8) и известным равенством:принято называть импедансами, а цифры "I", "2" и "3" отнесем к материалам образца породы, свинца и волновода соответственно. Тогда для границы раздела волновод-образец получим связь между амплитудой падаюшего О , отраженного 0? и прошедшего в обра
Поскольку Z Zf , то в образец пройдет часть падающего импульса, при этом отраженный импульс в волноводе будет импульсом растяжения, так как в этом случае Vq 0 9 а V. будет боль Аналогично, для границы раздела образец-свинец до момента текучести свинца получим связь между амплитудой падаюшего О , отраженного б и прошедшего в свинец б импульсов:
При Z Z„ в образец свинца будет проходить не вся энергия, при этом в образец породы от плоскости контакта будет отражаться импульс сжатия ( 1/ 0 ), a V„ будет меньше V
Связь между амплитудой падаюшего б и отраженного б импульсов для случая текучести свинца примет вид:Если О 0 , то скорость частиц в отраженном импульсе I/ направлена от плоскости контакта образец породы - свинец. Если о 0 , то скорость частиц в отраженном импульсе V направлена в сторону свинца.
Результаты графического определения напряжений в образце породы с учетом отражения и преломления упругой волны от границ разделов по формулам (3.10)-(3.14) приведены на рис.3.6.- 76 Аналогичный графический анализ сделан для каждого значения амплитуды нагружающего импульса б .
Распределение расчетных значений напряжений представлено в фиксированные моменты времени. Амплитуды волн напряжений рассчитывались через промежутки, равные времени Т = 10 мс от начала нагружения образца прошедшей в него волной О . Результирующее напряженное состояние образца на рис.3.6 показано штрих-пунктирной линией. Характер изменения напряжений по всей длине образца в общих чертах одинаковый. В результате сложения волн изменяются форма импульса и его амплитуда.
Анализ эпюр распределения напряжений в образцах гранита показал, что при нагружении образцов импульсами сжатия указанных амплитуд в результате сложения волн в образцах возникают напряжения растяжения, амплитуда которых меньше предела прочности на растяжение материала образца породы.
По результатам рассчитанных эпюр распределения результирующих напряжений растяжения в образцах гранита построен график зависимости рис.3.7. По оси абсцисс отложены результирующие макси тах мальные напряжения растяжения О , возникающие в образцахпри однократном нагружении, отнесенные к предельному значению напряжения растяжения О0 , а по оси ординат - предельное чи-ело нагружении /7 , приводящее к разрушению образца вдоль направления действия напряжения, т.е. вдоль образца.
Учитывая, что накопление нарушенностей в образцах принято оценивать по снижению предела их прочности на растяжение, после каждой серии нагружении образцы породы испытывались на одноосное растяжение.Зависимость снижения прочности образцов гранита от числа нагружении А/ для исследованных амплитуд импульса нагружении
Экспериментальные исследования развития нарушенностей и снижения прочности гранитных отдельностей при их многократных нагружениях
Натурные исследования были поставлены для решения двух задач: во первых, установления величины скорости соударения отдельностей, при которой происходит их разрушение; во вторых, установления количественных закономерностей развития нарушенностей и снижения прочности гранитных отдельностей в зависимости от скорости и количества их нагружений, аналогично зависимостям, установленным в лабораторных условиях для гранитных образцов.
Для проведения исследований была разработана установка, с помошью которой производились нагружения отдельностей, расположенных на гранитном основании на уступе в карьере Павловского ГОКа. Эти нагружения моделировали[действие взрыва зарядов ВВ на отдельности, расположенные в массиве.
Многократные неразрушаїошие нагружения гранитных отдельностей осуществлялись сбрасыванием на них сферического ударника, при этом изменялись скорости и количество нагружений.
Разрушающее нагружение отдельностей осуществлялось сбрасыванием на них клиновидного ударника, что явилось аналогом испытания гранитных образцов на растяжение. При этом по высоте сбрасывания клиновидного ударника на основании теоретического расчета определялась величина напряжений разрушения отдельностей.
Отдельности, предназначенные для нагружения, представляли собой выбранные из взорванной горной массы негабаритные куски в форме, близкой к прямоугольному параллелепипеду. Соотношение максимального линейного размера О. к размеру стороны основания6 (а:6= 2) соответствовало соотношению высоты к диаметру гранитных образцов, испытанных в лабораторных условиях (3.1).
Установка, предназначенная для нагружения отдельностей, включала экскаватор ЭКГ-4,бБ, на ковш которого с помошью специальной защелки подвешивались ударники. Зашелка соединялась с механизмом открывания дниша ковша экскаватора, при срабатывании которого ударники свободно падали. Высота сбрасывания фиксировалась с помощью мерной ленты с погрешностью +0,2 м. Нагружаемая отдельность устанавливалась на предварительно зачищенном породном уступе.
Натурные экспериментальные исследования проводились в шесть этапов.На первом этапе определялась жесткость С породного основания, на котором помешались отдельности для многократного нагружения.
Жесткость С определялась для случая F = Р»3, О. = 0, (т.е. силы инерции отсутствуют, а ускорение равно нулю) следующим образом. Груз массой Р = 5.I04 Н устанавливался на отдельность и нивелиром HBI измерялось его перемещение U (погреш значение удельной жесткости равно 1,86.10 Н/м, при этом дисперсия В = 0,035, средняя квадратическая ошибка б = 0,188, доверительный интервал 0 = +0,10, вероятность Р= 0,95, а коэффициент вариации /С = 10$, что свидетельствует о достаточной надежности и достоверности полученных результатов.
Как описано выше, для оценки прочности гранитных отдельно-стей был разработан специальный способ, который явился аналогом испытаний образцов на растяжение в лабораторных исследованиях.
Способ включал оценку прочности гранитных отдельностей по высоте сбрасывания на них клиновидного ударника, разрушающего отдельность. А также принцип расчета возникающих при этом в от-дельностях напряжений.
На втором этапе исследований определялась критическая (наи ик меньшая) высота сбрасывания п клиновидного ударника, разрушающего гранитную отдельность. Эти исследования проводились следующим образом. На зачищенную поверхность уступа устанавливалась отдельность наибольшей своей стороной и на нее сбрасывался клиновидный ударник. При этом плоскость раскола ударника была перпендикулярна максимальной длине отдельности. После сбрасывания фиксировался факт раскола отдельности. В любом случае отдельность убиралась и на ее место устанавливалась следующая. На ґ рис.4.2 показан процесс определения прочности гранитной отдельности в натурных условиях с помошью клиновидного ударника. Всего было проведено 6 опытов. Результаты их представлены в табл. 4.2.И =5,9 м, при этом коэффициент вариации Kgap= 14$, доверите-льный интервал и = +1,4. Расчет напряжения б в отдельностях производился в соответствии с зависимостями (4.4)-(4.8). При этом б , соответствующее разрушению отдельностей, равно 5 МПа.
Очевидно, что реальный процесс раскалывания отдельностей клиновидным ударником несколько отличается от теоретической схемы, описанной в предыдущем разделе. Это обусловлено неизбежными неточностями техники проведения опытов (неточность ориентировки лезвия как по вертикали, так и по горизонтали, отсутствие плотного контакта отдельности в основанием и т.д.). Кроме того, возникшие максимальные напряжения в наиболее удаленной точке еше не приводят к раскалыванию всей отдельности. Вследствие этого расчетное значение б должно быть больше предела прочности отдельностей на растяжение. Чтобы установить соответствие расчет
