Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблемы и задачи исследований 15
УВВ при взрывах наружных зарядов 15
УВВ при взрывах скважинных и шпуровых зарядов 29
УВВ при взрывах зарядов выброса и сброса 42
УВВ при подводных взрывах 50
Влияние метеоусловий на интенсивность и распространение УВВ 53
Воздействие УВВ на людей и сооружения 62
Цель и задачи исследований 71
Аппаратура для регистрации ударных воздушных волн взрывов 74
Задачи аппаратурных измерений 74
Краткая характеристика участков работ 75
Требования к аппаратуре для регистрации параметров УВВ 79
Аппаратура для исследования параметров УВВ 85
Пьезоэлектрические датчики давления для измерения УВВ 85
ПриборИДПдля измерения слабых УВВ 85
Датчики давления ДД для измерения сильных УВВ 87
Тарировка датчиков давления 88
Механические самописцы и шумомеры 102
Выводы 104
Газовая составляющая ударной воздушной волны заряда ВВ, контактирующего со скальным грунтом 106
Вводные положения и определения 106
Излучение УВВ скважинным зарядом 110
Полностью заряженная скважина 121
Скважинный заряд с воздушной забойкой 126
3.5. Скважинный заряд с грунтовой забойкой 130
3.6. Излучение УВВ наружным зарядом 141
3.7. Выводы 151
4. Экспериментальные исследования параметров УВВ при к взрывах наружных и заглубленных зарядов
4.1. Основные параметры УВВ при взрывах наружных зарядов 154
4.1.1. Избыточное давление на фронте УВВ 157
4.1.2. Время действия фазы сжатия УВВ 166
4.1.3. Удельный импульс фазы сжатия УВВ 169
4.1.4. Энергия в УВВ 170
4.2. УВВ при сварке металлов взрывом 172
4.3. Взрывы скважинных зарядов 175
4.3.1. Влияние длины заряда в скважине на интенсивность УВВ 175
4.3.2. Влияние длины забойки скважины на интенсивность УВВ 182
4.3.3. Массовые взрывы скважинных зарядов 195
4.4. Взрывы шпуровых зарядов 197
4.5. Взрывы зарядов выброса и сброса 202
4.6. УВВ при взрывах подводных зарядов 211
4.7. Методы снижения интенсивности УВВ 214
4.7.1. Засыпка наружного заряда 214
4.7.2. Короткозамедленное взрывание 218
4.7.3. Неэлектрические системы инициирования 229
4.7.4. Применение укрытий мест взрыва 230
4.8. Выводы 231
5. Действие УВВ на сооружения и людей 234
5.1. Импульсное и статическое действие УВВ 234
5.2. Действие УВВ на застекление 235
5.3. Определение радиуса опасной зоны по действию УВВ на застекление 241
5.4. Взрывной шум 245
5.5. Воздействие УВВ на здания и сооружения 251
5.6. Сравнительная оценка воздействия сейсмических и ударных воздушных волн при определении радиусов опасных зон 251
5.7. Выводы 257
Заключение 259
Литература
- УВВ при взрывах зарядов выброса и сброса
- Аппаратура для исследования параметров УВВ
- Скважинный заряд с грунтовой забойкой
- Массовые взрывы скважинных зарядов
Введение к работе
Актуальность проблемы
Взрывные работы являются неотъемлемым элементом технологического процесса на карьерах, рудниках, шахтах и разрезах, при разработке траншей и котлованов и т.д. При этом взрывы часто приходится выполнять рядом с жилыми кварталами и на территории работающих предприятий. Это требует строгого соблюдения необходимых мер промышленной безопасности.
Ударные воздушные волны (УВВ) являются нежелательными побочными эффектами при производстве взрывных работ. УВВ часто накладывают большие ограничения на массу взрываемых зарядов, чем сейсмическое действие взрывов, а контроль и прогнозирование ожидаемых параметров УВВ более затруднительным, чем оценка воздействия сейсмических колебаний.
В настоящее время расчет радиусов опасной зоны по действию УВВ при взрывах на земной поверхности осуществляют в соответствии с указаниями раздела VIII «Единых правил безопасности при взрывных работах» (ЕПБВР), которые относятся к взрывам наружных и углубленных на свою высоту зарядов большой массы (применяются при определении безопасных расстояний от складов ВМ), к взрывам на выброс и сброс с показателем действия взрыва n=3 и к расчету радиуса опасной зоны по действию УВВ на застекление (1-я степень безопасности – отсутствие повреждений) для взрывов наружных зарядов (взрывы по дроблению негабарита) и скважинных (шпуровых) зарядов рыхления.
Во многих случаях ведение взрывных работ производится в условиях, существенно отличающихся от условий, рассмотренных в ЕПБВР. Например, взрывание шпуровых зарядов малой массы (в т.ч. с использованием укрытий), взрывы на выброс и сброс с показателем действия, отличным от n=3, подводные взрывные работы, выполнение взрывных работ в стесненных условиях с допустимостью частичного или полного повреждения застекления и др.
Таким образом, проблема обеспечения промышленной безопасности при производстве взрывов на открытых горных работах и в строительстве и повышения надежности определения безопасных режимов взрывания по действию УВВ на земной поверхности имеет важное социальное и хозяйственное значение, и ее решение является актуальным.
Результаты выполненных исследований позволяют дополнить имеющиеся в ЕПБВР рекомендации по расчету радиусов опасной зоны по действию УВВ и распространить их на более широкий круг взрывных работ, что способствует обеспечению промышленной безопасности производства взрывных работ.
Целью работы является установление закономерностей изменения параметров УВВ с учетом влияния физико-технических свойств взрываемых пород, технологических условий и используемых технических решений производства взрывных работ, а также метеоусловий, сложившихся на момент взрыва, для обеспечения промышленной безопасности ведения различных видов взрывных работ по действию УВВ на земной поверхности.
Основная идея работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании методики расчета массы эквивалентного заряда (т.е. такой массы наружного заряда, размещенного на граничной плоскости абсолютно жесткого полупространства, при взрыве которого излучается УВВ с такой же головной частью, что и при взрыве рассматриваемого заряда), учитывающей взаимосвязи основных факторов, влияющих на условия образования и распространения УВВ.
Методы исследования: анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей; многолетние инструментальные измерения параметров УВВ, возникающих при различных видах взрывных работ; видеосъемка процессов вылета забойки из скважин и шпуров, формирования и динамики развития пылегазового облака при наземных взрывах и «султана» воды при подводных взрывах; системный анализ, позволяющий установить взаимосвязи между геотехническими условиями производства взрывных работ и выявить основные факторы, влияющие на условия образования и распространения УВВ, установить их качественные и количественные характеристики; анализ и обработка результатов измерений с использованием методов математической статистики с сопоставлением полученных результатов и инструментальных данных.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности изменения параметров УВВ и эквивалентность наружного и скважинных зарядов определяются физико-техническими свойствами взрываемых горных пород и материалов, параметрами и условиями взрывания зарядов, метеоусловиями в районе производства работ. Горные породы и материалы классифицированы по влиянию их физико-технических свойств на интенсивность излучения УВВ, которое в расчетных формулах учитывается коэффициентом КТ. Влияние метеоусловий на параметры УВВ учитывается коэффициентом КМ.
2. При определении массы эквивалентного заряда в случае взрывов скважинных и шпуровых зарядов учитывают относительную длину забойки и материал, из которого она выполнена. При оценке влияния забойки на снижение интенсивности УВВ следует различать забойку трех видов: забойка 1-го вида, когда ПВ начинают истекать из устья скважины до того, как скважина, расширяясь, приобрела максимальный объем; забойка 2-го вида, когда ПВ начинают истекать после того, как скважина приобрела максимальный объем; забойка 3-го вида, когда ПВ истекают после разрушения массива и образования в нем трещин, или вообще не истекают.
3. При взрывах сосредоточенных и удлиненных зарядов выброса и сброса при определении массы эквивалентного заряда следует учитывать приведенную глубину заложения заряда. В случае взрыва удлиненных зарядов масса эквивалентного заряда определяется также длиной заряда, линейной плотностью заряда и расстоянием от заряда до рассматриваемой точки. При взрывах подводных зарядов различного назначения масса эквивалентного заряда определяется параметрами взрываемых зарядов и зависит от толщины слоя воды над зарядом.
4. При короткозамедленном взрывании для исключения сложения УВВ от отдельных групп зарядов и усиления давления в УВВ у охраняемого объекта следует учитывать интервал замедления между группами, расстояние между зарядами и особенности расположения взрываемых зарядов относительно друг друга и относительно охраняемого объекта. Снижение давления в УВВ обеспечивается путем использовании технических и технологических мероприятий (изменение способа инициирования, засыпка зарядов, укрытие мест взрывов и др.).
5. Выбор технических и технологических решений для обеспечения промышленной безопасности по действию УВВ на земной поверхности при выполнении взрывов зарядов различного назначения (наружных, скважинных, шпуровых, выброса и сброса, подводных) и расчет безопасных расстояний следует производить на основе определения эквивалентной массы заряда с учетом основных факторов, влияющих на интенсивность УВВ: массы и конструкции заряда, параметров БВР, физико-технических свойств взрываемых пород и материалов, метеоусловий, используемых мероприятий по снижению интенсивности УВВ, допустимой величины избыточного давления или удельного импульса фазы сжатия в УВВ по воздействию на охраняемые объекты.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены: представительным объемом инструментальных измерений параметров УВВ; сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также сопоставимостью расчетных и фактически зарегистрированных параметров УВВ, полученных при взрывах в различных условиях на горных предприятиях (расхождение не более 20…25%); положительными результатами внедрения результатов работы в практику производства взрывных работ.
Научная новизна заключается в следующем:
- получены закономерности для определения массы эквивалентного заряда, учитывающих физико-технические свойства взрываемых пород и материалов и технологические условия производства взрывных работ;
- выявлена классификация взрываемых горных пород и строительных материалов в зависимости от влияния их физико-технических свойств на интенсивность излучения УВВ;
- обосновано и установлено влияние длины заряда и длины забойки при определении источников и интенсивности УВВ взрывов скважинных зарядов;
- установлены корреляционные зависимости для расчета параметров УВВ при взрывах различного назначения, учитывающие геотехнические и горно-геологические условия производства взрывных работ;
- обоснованы и установлены рациональные параметры буровзрывных работ, обеспечивающие промышленную безопасность производства взрывных работ по действию УВВ на людей и инфраструктуру.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей влияния различных факторов (физико-технических свойств взрываемых пород, глубины заложения зарядов, параметров скважинных зарядов, толщины слоя воды над зарядом, метеоусловий и др.) на массу эквивалентного заряда и параметры УВВ для обоснования технических и технологических решений, направленных на обеспечение промышленной безопасности ведения взрывных работ по действию УВВ на земной поверхности.
Практическое значение работы заключается в:
- разработке комплекта аппаратуры и способа тарировки датчиков давления для регистрации УВВ в диапазоне давлений 10…100000 Па и времени действия фазы сжатия УВВ 0,5…200 мс;
- разработке и внедрении методики расчета массы эквивалентного заряда и параметров УВВ при взрывах зарядов различного назначения, учитывающей свойства взрываемых пород, параметры расположения зарядов, интервалы замедлений, конструкцию защитных укрытий мест взрывов, метеоусловия и др.;
- оценке эффективности использования технических и технологических способов снижения интенсивности УВВ при расчетах размеров опасной зоны действия УВВ при взрывах;
- разработке «Руководства по определению радиуса опасной зоны действия ударных воздушных волн при взрывах на земной поверхности»;
- внедрении результатов исследований в практику проектирования и производства взрывных работ на открытых горных работах и в строительстве.
Реализация результатов работы.
Расчетные закономерности по определению эквивалентной массы скважинных зарядов и радиуса опасной зоны действия УВВ на застекление вошли в состав подразделов 5.1.9 – 5.1.15 «Определение расстояний, безопасных по действию ударных воздушных волн на застекление при взрывании наружных зарядов и скважинных (шпуровых) зарядов рыхления» раздела VIII «Порядок определения безопасных расстояний при взрывных работах и хранении взрывчатых материалов» «Единых правил безопасности при взрывных работах» ПБ 13-407-01 (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.01.2001 г. №3).
Составлено «Руководство по проектированию и производству взрывных работ при реконструкции промышленных предприятий и гражданских сооружений» РТМ 36. 9-88 (утверждено Минмонтажспецстроем СССР 19.08.1988 г.).
Разработано «Руководство по определению радиуса опасной зоны действия ударных воздушных волн при взрывах на земной поверхности» (согласовано Управлением горного надзора Ростехнадзора, письмо от 17.06.2011 г. №07-03-04/1817).
Результаты исследований и разработанные на их основе рекомендации и указания по расчету безопасных расстояний и режимов взрывания по действию УВВ реализованы: при проектировании и производстве взрывных работ на карьерах «Первомайский», «Октябрь» и «Пролетарий» ОАО «Новоросцемент», карьере ООО «Жирновский щебеночный завод» и др.; при обосновании промышленной безопасности ведения взрывных работ по действию УВВ при взрывании скважинных и шпуровых зарядов для рыхления скальных грунтов на строительстве котлованов сооружений «Москва-Сити»; при проектировании подводных взрывных работ для прокладки канализационных дюкеров через р.Лена в Якутии; при производстве взрывных работ по ликвидации опасных производственных объектов на территории ФГУП «ПО «Прогресс» и ФГУП «Кемеровский завод «Коммунар» в г.Кемерово; при проектировании и проведении специальных взрывных работ по обрушению гражданских и производственных зданий и сооружений и дроблению фундаментов (фабрика «Дукат», ОАО «Завод полиметаллов», радиологический корпус МОНИКИ, панельные жилые здания в Москве, ОАО «Рязанский НПЗ», ОАО «Славнефть-Ярославнефтеоргсинтез», ОАО «Гуковуголь», ОАО «Ростовуголь», ДОАО ШУ «Дальневосточное» и на многих других объектах).
Результаты исследований используются в Московском государственном горном университете при чтении курса лекций и выполнении практических работ по дисциплине «Техника, технология и безопасность производства взрывных работ на открытых горных работах» и на курсах повышения квалификации специалистов-взрывников.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на IX Всесоюзной научной конференции «Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов» (Москва, 1987), Х Всесоюзном научно-техническом совещании «Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве» (Красноярск, 1988), Научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 1997, 2009, 2011), 7-й Международной конференции «Проблемы снижения природных опасностей и рисков (Геориск-2009)» (Москва, 2009).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 26 работах. В журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки, опубликовано 16 статей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 136 наименований и 2-х приложений, содержит 28 таблиц и 59 иллюстраций.
В решении отдельных задач, проведении полигонных и промышленных экспериментальных исследований и внедрении полученных автором результатов участвовали коллеги автора из ЦПЭССЛ треста «Союзвзрывпром», ООО «ЦПЭССЛ БВР», производственных организаций, входящих в Ассоциацию «Союзвзрывпром», ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет», ряда других горных и строительных организаций. Есть совместные публикации, авторские свидетельства на изобретения, ссылки на которые приведены в диссертации. Автор выражает признательность научному консультанту доктору технических наук, профессору В.А.Белину, доктору технических наук, профессору В.П.Тарасенко, доктору технических наук В.Л.Барону, сотрудникам кафедры «Взрывное дело» МГГУ, бывшим сотрудникам ЦПЭССЛ треста «Союзвзрывпром» Я.И.Цейтлину и кандидату технических наук Н.И.Смолию за содействие и ценную научно-методическую и практическую помощь в процессе проведения исследований и подготовки диссертации.
УВВ при взрывах зарядов выброса и сброса
Величину избыточного давления на фронте УВВ при взрыве сосредоточенного литого заряда из смеси 50/50 тротила и гексогена (ТГ 50/50) плотностью 1700 кг/м на поверхности абсолютно жесткого полупространства можно определить по формуле ( Q 02/3 Qm\ \Ь ЛР = 10\ (1.12) 15,0-Ц-+ 4,5 2"+ 1,09 \ f г Г j Для оценок давления в УВВ при взрывах других ВВ можно пользоваться формулами (1.5) и (1.9) с учетом переводных коэффициентов для расчета эквивалентных зарядов ВВ по идеальной работе взрыва [6,8,9].
При взрыве наружного заряда ВВ, размещенного на контакте «воздух -горная порода», на распределение энергии взрыва будут оказывать влияние физико-технические свойства взрываемых горных пород. Теоретическое решение задач об излучения энергия взрыва контактного заряда ВВ, размеренного на границе двух сред, в высшей степени затруднительно, и в настоящее время такого решения не существует. Имеются решения частного характера [10,11,12], а также ряд экспериментальных исследований, касающихся распределения энергии взрыва на границе двух сред [13,14]. Результаты указанных работ получены в предположении, что процессы, происходящие в нижнем полупространстве, весьма слабо влияют на течение газа в верхнем полупространстве. Именно исходя из этого допущения М.А.Садовским [6] получены приведенные выше зависимости для расчета параметров УВВ при взрыве зарядов на поверхности земли (на поверхности жесткого полупространства) и в воздухе.
Однако в случае взрыва заряда ВВ на границе раздела «воздух - горная порода» затраты энергии на деформацию нижнего полупространства, а также распределение энергии, связанное с волновыми процессами взрыва в нижнем пространстве (горная порода), оказывают существенное влияние на распределение энергии в верхнем полупространстве, т.е. в конечном счете на энергию УВВ.
Проведенные экспериментальные исследования распределения энергии при контактном взрыве показали, что материал в основании заряда существенно влияет на распределение энергии контактного взрыва.
В.Д.Алексеенко [13] провел экспериментальные исследования распределения энергии при контактном взрыве в зависимости от материала в основании заряда. Так, если при взрыве на поверхности несжимаемого полупространства (расчеты для этого случая выполнены по формуле (1.9) М.А.Садовского) в УВВ переходит 100% энергии взрыва, то при взрыве заряда на бетоне - 90%, на плотном песке - 80%, на рыхлом песке -70% энергии взрыва.
Об этом же свидетельствуют и данные, приведенные в обзоре [15]. Указано, что удвоение массы заряда при расчете давления от наземного взрыва по сравнению с воздушным происходит только при идеальной отражающей поверхности и его можно использовать при максимальной оценке параметров УВВ. В литературе [16] при пересчете наземного взрыва к воздушному обычно применяется значение 1,8. По результатам анализа литературных данных и собственных измерений А.Е.Двойнишниковым и др. в работе [15] приведено среднее значение эквивалентности равное 1,6 и указано, что потери в грунт составляют 20% от общей энергии взрыва.
Некоторые теоретических вопросы образования УВВ под действием расширяющихся газов ПД (газовая составляющая УВВ) при взрывах различных зарядов, контактирующих с породой (наружные заряды, скважинные заряды с забойкой и без забойки), рассмотрены Я.И.Цейтлиным. Выполненные в соответствии с предложенной им теорией расчеты (приведены ниже в разделе 4) показывают, что в случае взрыва наружного заряда, размещенного на поверхности скального массива, представленного гранитами (грунты X...XI группы по классификации СНиП), давление в УВВ, обусловленное расширяющимися ПВ, может быть на 15...20% больше, чем при взрывании крепких известняков (грунты VIII...IX групп), и в 2...2,5 раза больше, чем при взрывании слабых известняков или др. аналогичных пород (грунты VI...VII групп по классификации СНиП). Т.М.Саламахин [17,18] предложил при взрывании на поверхности реального полупространства (грунт, скальный массив и т.п.) для учета свойств этого полупространства в расчетах по формулам (1.5)...(1.12) принимать не фактическую массу взрываемого заряда Q, а величину его расчетной массы QP=r,Q, (1.13) где QP - расчетная масса заряда, кг; Q - фактическая масса заряда, взрываемого на поверхности полупространства, кг; ц - коэффициент, учитывающий свойства нижнего полупространства, на котором располагается заряд; для взрыва в безграничном пространстве rj-0,5. Так, по данным Т.М.Саламахина [17,18], значение коэффициента ц для плотных песков и суглинков составляет 0,75.
Аппаратура для исследования параметров УВВ
Однако ряд параметров (тип забойки, ДШ, метеоусловия и др.), не учитываемых эти графиком, могут в значительной степени повлиять на интенсивность УВВ. Например, отсутствие забойки (воздушная забойка) может привести к увеличению давления до 10 раз и более.
Из других способов снижения интенсивности УВВ при взрывах скважинных зарядов, приведенных в работе [46], выделяются следующие: 1. Размещение электродетонатора по возможности в донной части скважины. 2. Размещение забойки из инертного материала в случае рассредоточения заряда на тех отметках, где скважина пересекает прослойки плывунов, а также там, где заведомо ожидается пониженное значение ЛНС. 3. Уменьшение высоты обнаженной поверхности для предотвращения возникновения УВВ в результате подвижки больших объемов породы. 4. При взрывании зарядов в скважине с помощью ДШ, магистральную сеть ДШ, а также концевые отрезки ДШ, выходящие из скважины, необходимо засыпать слоем породы или песка толщиной не менее 0,3.. .0,6 м.
В работе [47] рекомендуется также использовать ДШ с малыми навесками ВВ, электрическое взрывание, а также присыпать магистральную сеть ДШ слоем разрыхленного материала мощностью свыше 15 см.
Весьма эффективным средством снижения интенсивности УВВ является короткозамедленное взрывание. В работе [48] даются следующие рекомендации в отношении КЗВ, направленные на улучшение степени дробления взорванной горной массы, уменьшения сейсмического действия взрыва и снижения интенсивности УВВ:
1. Для обеспечения хорошего дробления массива минимальное время замедления при инициировании зарядов ВВ в смежных скважинах или отдельных частей заряда, разделенных инертным промежутком внутри скважины, должно составлять примерно 3,3 мс на 1 м линии сопротивления.
2. Минимальное время замедления между инициированием зарядов смежных рядов должно превышать время замедления инициирования смежных зарядов в ряду, чтобы надежно обеспечивалась одинаковая форма свободной поверхности для каждого скважинного заряда последующих рядов.
3. Средняя скорость развития взрыва вдоль свободной поверхности должна быть меньше скорости звука в воздухе, чтобы свести к минимуму интенсивность У ВВ.
4. Минимальный интервал замедления между соседними ступенями должен быть не менее 8 мс (в соответствии с рекомендациями Горного Бюро США и действующими в США инструкциями). В случае КЗВ прямолинейной серии зарядов возможно усиление эффекта УВВ за счет синхронного сложения УВВ от отдельных групп зарядов. Для предотвращения наложения и усиления интенсивности УВВ в работе [48] утверждается, что средняя скорость развития взрыва (передача детонации) вдоль свободной поверхности должна быть меньше скорости звука в воздухе. Условие дозвукового взрывания, обеспечивающего разделение УВВ при последовательном взрывании зарядов, при этом определяется как - С, (1.35) t где а - расстояние между смежными зарядами, м; t - интервал замедления между инициированием смежных зарядов, с; С - скорость звука в воздухе, м/с. Однако условие (1.35) не учитывает длительности фазы сжатия в УВВ и не будет справедливо на всех расстояниях от места взрыва. Таким образом, выполненные теоретические и экспериментальные исследования параметров УВВ при взрывах скважинных и шпуровых зарядов, носят, в основном, качественный характер. Выявленная явная зависимость давления в УВВ от заглубления заряда (длины забойки), однако введенные в соответствующие формулы поправочные коэффициенты не учитывают параметры зарядов (диаметр, длина заряда, длина забойки) и материал забойки. Предложенные рекомендации по снижению интенсивности УВВ также не будут справедливы во всем диапазоне изменений параметров скважинных и шпуровых зарядов.
Некоторые результаты исследований механического действия подземных взрывов, а также источников излучения и параметров УВВ при взрывах зарядов выброса и сброса приведены в работах В.В.Адушкина, В.Л.Барона, Л.М.Перника, В.Н.Родионова и др. Для оценки величины избыточного давления на фронте УВВ могут быть также использованы результаты подземных ядерных взрывов (Дж.Рид, В.В.Киреев, А.А.Адушкин, В.Н.Родионов, А.Н.Ромашов и др.).
При взрывах зарядов выброса и сброса давление в УВВ, как и при взрывах скважинных и шпуровых зарядов, также уменьшается вследствие ослабляющего действия слоя грунта или забойки. В зависимости от глубины заложения заряда форма УВВ может иметь различный характер, как это показано на рис. 1.2 применительно к взрывам в мягких грунтах [49].
Начальная ударная волна, прошедшая через грунт, действует на воздух как поршень, образуя при этом импульс «наведенной грунтовой ударной волны» CSI. Вслед за ним следует импульс «выхода газов» GV, если образуется воронка или происходит прорыв газов. При взрывах на малых глубинах наблюдается только импульс GV; на глубинах, оптимальных для образования воронок, наблюдаются оба импульса; при камуфлетных взрывах образуется только импульс GSI.
Скважинный заряд с грунтовой забойкой
Влияние метеоусловий и подстилающей поверхности на распространение УВВ в реальной атмосфере рассмотрено в работах В.Н.Родионова, В.В.Адушкина [68], В.Н.Костюченко и др. Полученные данные показывают, что в зависимости от скорости и направления ветра давление на фронте УВВ может изменяться в 1,5...5 раз по сравнению со взрывом при отсутствии ветра. Наличие температурной инверсии (увеличение температуры воздуха с высотой) даже при отсутствии попутного ветра приводит к увеличению давления в УВВ в 1,5...2,5 раза. Наличие лесного массива на пути распространения УВВ снижает амплитуду давления в 1,5.. .2 раза.
В работе Ю.С.Рыбнова, В.И.Кудрявцева и В.Ф.Евменова [69] представлены материалы экспериментальных исследований влияния подстилающей поверхности, температурной стратификации и скорости ветра в приземном слое атмосферы на амплитуду слабой УВВ на больших расстояниях. При проведении исследований использовались наземные накладные взрывы с тротиловым эквивалентом 0,2... 10,0 кг. Измерения проводились на расстояниях 400...4500 м. Регистрации импульсов УВВ осуществлялась измерительными микрофонами типа МКЭ-332 с полосой регистрируемых частот 0,001... 10 кГц, чувствительностью 40Па/В и динамическим диапазоном 56 дБ. Погрешность измерений не превышала 20%, что, по мнению авторов, приемлемо при проведении прямых измерений. Для определения влияния ветра сравнивалось давление в УВВ, зарегистрированное в условиях нормальной стратификации атмосферы и при средней скорости приземного ветра не более 0,5 м/с, с давлением при встречном ветре. Установлено, что при сильном встречном ветре (3...6 м/с) давление в УВВ уменьшалось в 1,5...2 раза. Боковой ветер, как показали исследования, практически не влияет на амплитуду УВВ. Эксперименты при попутном ветре не проводились.
Были проведены наблюдения при наличии приповерхностной температурной инверсии (у поверхности земли температура составляла около 5 С, на высоте 200 м - около 11,6С; скорость ветра у поверхности не превышала 0,2...0,4 м/с). При инверсии, когда наблюдается эффект фокусирования, давление в УВВ оказалось в 2 раза больше, чем в случае нормальной атмосферы. Указано, что с учетом параметров приповерхностной инверсии рассчитанный фактор фокусировки на расстоянии 1000...4500 м может достигать значений 1,5...2,5.
Для исследования влияния подстилающей поверхности на амплитуду УВВ измерения проводились синхронно в лесном массиве и на открытом пространстве при средней скорости ветра до 0,5 м/с и в отсутствии приземной инверсии. Полученные результаты показали, что в лесном массиве отмечается определенное ослабление импульсов УВВ по сравнению с замерами на открытом пространстве, однако характер подстилающей поверхности незначительно влияет на амплитуду импульса. При этом лесной массив фильтрует из спектра импульса высокочастотные компоненты (сглаживает импульс). Показано, что характер подстилающей поверхности влияет в меньшей степени на амплитуду импульса УВВ, чем метеоусловия.
Влияние рельефа местности, в т.ч. преград на пути распространения УВВ, рассмотрено в работе [42]. Показано, что размер зоны «тени» за преградой примерно равен характерному размеру препятствия. При распространении УВВ за этой зоной ее интенсивность на рассматриваемом расстоянии будет практически такой же, как и в отсутствии препятствия.
Таким образом, учет влияния метеоусловий на параметры УВВ необходим при прогнозировании интенсивности УВВ и определении безопасных расстояний производства взрывных работ.
Для предотвращения неблагоприятных последствий взрывов, связанных с влиянием метеоусловий на распространение УВВ, в формулы для расчета давления на фронте УВВ необходимо ввести коэффициент Км, зависящий от метеоусловий и учитывающий возможность появления неблагоприятных метеоусловий, когда Км \. Значения коэффициента метеоусловий Км должны обеспечивать с заданной надежностью безопасность производства взрывных работ и, в то же время, не должны препятствовать их экономически выгодному ведению. В этом случае коэффициент Км определяется не только своей величиной, но и вероятностью реализации, которая в свою очередь связана с вероятностью реализации метеоусловий в зависимости от сезона проведения взрывных работ и расстояния между местом взрыва и рассматриваемым пунктом.
Коэффициент метеоусловий зависит от закона изменения скорости распространения УВВ в пограничном слое атмосферы, которая, в свою очередь, зависит от закона изменения скорости звука и скорости и направления ветра. Автором (работа 1984 г.) была проведена статистическая обработка метеоданных (рис. 1.8), построены графики накопленной частости (кривые распределения коэффициента метеоусловий Км - рис. 1.9) и, с обеспеченностью 98%, установлены значения коэффициента метеоусловий Км в зависимости от расстояния до места взрыва и сезона производства взрывных работ [3,70]. Объектом обработки были выбраны метеоданные, полученные на метеорологических станциях г.Новосибирска и г.Санкт-Петербурга (станция Воейково). Эти районы были выбраны потому, что по имеющимся данным именно в этих районах наблюдаются аномальные инверсии и, соответственно, аномалии в распространении УВВ.
Было установлено, что коэффициент метеоусловий Км зависит от сезона проведения взрывных работ, от времени проведения взрывов и от расстояния до эпицентра взрыва. Принятые расчетные значения коэффициента Км в зависимости от сезона и расстояния приведены в таблице 1.2. Не рекомендуется проводить взрывные работы, если в сторону охраняемого объекта дует ветер, скорость которого на поверхности земли превышает 5 м/с. Следует учитывать, что существует вероятность в 1...1,5% появления ситуаций, при которых УВВ опасной интенсивности будут распространяться достаточно далеко (фокусирующие профили - см. табл. 1.1).
Массовые взрывы скважинных зарядов
Физико-технические свойства скального грунта имеют решающее значение в задаче об УВВ контактирующего заряда. Действительно, количество энергии, протекающей через референц-поверхность за характерное время, зависит от изменения во времени давления ПВ внутри объема, ограниченного этой поверхностью, а давление уменьшается с увеличением этого объема. Объем же, в свою очередь, увеличивается за счет образования котла (и купола), причем объем котла и скорость его расширения (а значит и характерное время) зависят от физико-технических свойств грунта.
В последующем расчете основной характеристикой грунта будем считать так называемый максимальный динамический объемный показатель простреливаемости Пд, равный отношению максимального мгновенного объема котла к объему заряда (в дальнейшем он будет называться объемным показателем простреливаемости).
Обычно в справочниках приводится коэффициент простреливаемости 77 с размерностью дм3/кг (см., например, [9], табл.7). Это статический показатель, равный отношению остаточного объема котла к массе заряда. Рассматриваемый нами объемный показатель простреливаемости отличается от справочного не только значением и размерностью, но, главным образом, тем, что он выражает динамический объем котла, который в процессе взрыва превосходит остаточный. К тому же к динамическому объему котла следует добавить объем образовавшихся крупных трещин.
Такие же трудности встречаются и при установлении значений других физико-технических характеристик грунтов. Так, например, скорость продольных волн СР обычно в справочниках дается как результат ультразвукового прозвучивания образцов. Но таким образом исключается влияние неизбежной трещиноватости, а также амплитуды испытующего сигнала. Или второй пример, сопротивление скального грунта по раздавливанию а - важный параметр, который известен, однако, только в статическом варианте, а по поводу динамических значений (упрочнение) в литературе нет установившихся взглядов и т.п.
Смысл рассмотренных ниже расчетов состоит главным образом в том, чтобы показать тенденции изменения интересующего нас явления, а это возможно и при не точно известных параметрах. Это позволяет также рассматривать интересующие нас вопросы при взрыве не скважинных зарядов конечной длины, а для бесконечного скважинного заряда, что дает возможность сделать некоторые упрощения в расчетах. При этом следует подчеркнуть, что все выявленные ниже тенденции влияния параметров зарядов относятся также и к случаю взрыва скважинных зарядов конечной длины.
Модель задачи излучения УВВ прорвавшимися ПВ при взрыве скважинного заряда сводится к следующему. Два полупространства - одно с физическими свойствами скального грунта, другое - воздуха, имеют общую плоскую границу. Перпендикулярно этой границе в скальном полупространстве пробурена скважина длиной / и диаметром d (рис.3.1). Вся эта скважина, за исключением ее верхнего участка длиной 13, заполнена ВВ. Незаряженный верхний участок скважины является забойкой. Если он заполнен воздухом, то это воздушная забойка, если грунтом - грунтовая забойка.
Сразу после детонации ВВ его ПВ начинают двигаться к устью скважины, а затем и истекать через него. Одновременно начнут раздвигаться стенки скважины вплоть до много раз больше скорости движения стенок достижения максимального размера, соответствующего максимальному мгновенному значению объема котла. По мере расширения скважины уменьшается среднее давление ПВ в соответствии с законом политропы, причем здесь делается допущение, что среднее давление устанавливается при каждом положении стенок котла мгновенно по всему объему скважины. Обоснованием этому служит то, что скорость звука в ПВ во скважины.
Разрез скважины в полупространстве: / - длина скважины; 13 - длина забойки; 1ЗАР - длина заряда В момент времени /, отсчитываемый от момента детонации, у устья скважины находится элемент объема ПВ, покидающий скважину (рис.3.2). Этот элемент объема приблизительно равен dV = Svdt, (3.3) где v- скорость истечения ПВ из устья скважины; 5- площадь поперечного сечения скважины. Для упрощения дальнейших расчетов площадь выходного сечения устья скважины здесь принята постоянной.
Что же касается показателя политропы промышленных ВВ в начальный момент после детонации, то по этому вопросу нет установившегося окончательного взгляда. Так, В.Н.Родионов считает, что при взрыве аммонита с начальной плотностью 1000 кг/м3 начальное среднее давление ПВ Р0-5х\0 Па, а показатель политропы в согласии с предложением Л.Д.Ландау и К.П.Станюковича у7=3 [94].
С другой стороны, на основе прямых экспериментов К.К.Шведов и А.Н.Дремин пришли к выводу, что для тех же ВВ Р0=4х109 Па и у/=2 [93].
Для того, чтобы практически рассмотреть расширение ПВ в широких пределах, часто сложную кривую Р(У) представляют в виде переходящих одна в другую двух политроп с показателями у і и у2 , причем уі у 2.
Точку сопряжения обеих политроп Рк, VK можно найти, используя энергетический метод [95]. Покажем это на примере с начальными условиями К.К.Шведова и А.Н.Дремина.
