CC BY
21
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА»ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
ЦОСКВА>МГГУ 29.01.96 - 2.02.96 г
КОЧАНОВ АН. Институт горного дела им. Скочинского
Изучение параметров зон предразруше-ния массива как основа совершенствования технологии взрывных работ
В последнее время при изучении результатов взрывного воздействия на массив
большое внимание уделяется СОСТОЯНИЮ горных пород в зоне предразрушения. О возможности формирования такой зоны при взрывном нагружении отмечается в работах Е.И.Шемякина, В.Н.Родионова, В.И.Мосинца, М.Кука и других. По оценкам А.Н.Ханукаева при распространении волн напржений в результате взрыва объем предразрушения составляет до 85% от общего объема разрушения.
Выявление особенностей проявления эффектов взрывного предразрушения в породах с разными исходными структурными характеристиками, при различных схемах взрывания и параметрах зарядов ВВ требуется для решения целого ряда задач, связанных не только с управлением состоянием массива, но и с проблемой разрушения пород в целом.
Следует отметить, что в большинстве исследований состоянию предразрушения соответствуют определенные изменения в горной породе, вызванные накоплением разного рода повреждений. В настоящее время использование закономерностей взрывного разупрочения массива горных пород в зоне предразрушения для управления качеством отбиваемой горной массы нашли свое отражение в работах С.А.Гончарова, Г.Г.Каркашадзе, С.Д.Викторова, Н.Я.Репина и других. И все же на наш взгляд сама проблема предразрушения и исследования свойств пород в этой зоне находятся на стадии, которую можно охарактеризовать как недостаточно разработанную.
В ИГД им.А.А.Скочинского целенаправленное изучение параметров зоны
предразрушения при взрыве началось в 1985 году под руководством В.Е.Александрова. За последние годы с целью оценки свойств и состояния массива в зоне предразрушения проведены экспериментальные исследования, включающие ультразвуковое измерение на образцах, испытание образцов на прочность, петрографические исследования, сейсмоакустическое прозвучивание массива.
В настоящем сообщении делается попытка обобщения результатов выполненных исследований, а также даются примеры их использования с целью совершенствования технологии взрывных работ.
Лабораторные исследования проводились на образцах различных горных пород и искусственных материалов, таких как песчаник, мрамор, гранит, известняк, оргстекло. Образцы, как правило, имели форму прямоугольного параллелепипеда размером 50x25x12 см. В опытах для производства камуфлетных взрывов использовались цилиндрические заряды тэна диаметром 2,4 или 4,2 мм с добавками поваренной соли. Объемная концентрация энергии зарядов изменялась от 1,5 до 6,0 Дж/мм3. Масса заряда и размеры образцов подбирались с таким расчетом, чтобы в образцах после взрыва не наблюдалось видимых нарушений. Ультразвуковой метод являлся базовым (основным) методом лабораторных исследований, позволяющим в принципе определить основные параметры зоны предразрушения и проследить динамику проявления этого эффекта с течением времени после взрыва. Возможна также оценка прочностных свойств через акустические параметры.
Техника ультразвуковых измерений по определению скорости распространения продольных волн хорошо известна, она регламентируется ГОСТом. Ультразвуковое прозвучивание осуществлялось по сетке с шагом 3-4 см по двум взаимно перпендикулярным направлениям непосредственно до и после взрыва на разном расстоянии от заряда. В ряде случаев состояние образцов контролировалось на протяжении 10-12 месяцев после взрыва.
Для определения изменений прочностных свойств в результате взрыва образцы подвергались испытаниям на прочность методом раскалывания. Этот метод преусмат-ривает определение предела прочности при одноосном растяжении в любом заданном сечении образца. Раскол образцов осуществляется последовательным приближением к эпицентром взрыва через каждые 3-4 см.
Петрографические исследования выполнены с целью уточнить механизм, а также характер структурных изменений образца.
Проведены сейсмоакустические исследования в натурных условиях по определению скорости продольных волн в массиве после взрыва на разном расстоянии от заряда. Но их результаты носят лишь качественный характер из-за большой погрешности измерений.
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что при определенных условиях после взрыва формируется зона пред-разрушения, где имеет место относительно плавное изменение упругих и рочностных свойств массива с расстоянием от заряда. В образцах песчаника максимально наблюдаемое уменьшение скорости продольных волн составляет вблизи заряда 50%, в мраморе - 20-30%, в граните, оргстекле, песчано-цементных моделях - 2-5%. По данным ультразвукового контроля радиус зоны предразрушения в образцах песчаника достигает 150-200 радиусов заряда, в мраморе - 100-150, в граните - не более 30. Таким образом зона предразрушения получает преимущественное развитие в скальных породах, которые по своим прочностным свойствам занимают промежуточ-
ное положение между породами с пределом прочности на сжатие до 30-50 МПа и весьма прочными породами с пределом прочности на сжатие более 100-150 МПа.
Развитие зоны предразрушения наблюдается, если объемная концентрация энергии заряда превышает некоторый минимальный уровень, который для образцов песчаника составляет 1,5 Дж/мм , а для образцов мрамора 3,0 Дж/мм3. Радиус зоны предразрушения линейно увеличивается с ростом энергии заряда вплоть до некоторого своего предельного значения. Дальнейшее увеличение энергии заряда выше некоторого критического значения, вызывающего образование макротрещин на поверхности образца, не приводит к увеличению размеров зоны предразрушения.
В зоне предразрушения для песчаника зарегистрировано снижение прочности на растяжение в несколько раз, причем между изменением скорости и прочности существует взаимосвязь, которая хорошо описывается степенной функцией с показателем степени равным четырем, т.е. малым изменениям скорости соответсвует значительное снижение прочности.
Изменение упругих свойств в зоне предразрушения по данным долговременного ультразвукового контроля носят обратимый характер. Время восстановления исходного состояния образцов составляет 1-3 месяца.
Петрографические исследования, направленные на изучение изменений мик-роструктурных характеристик пород, свидетельствуют о дискретности структурных изменений в межзеренном пространстве, с разной степени поврежденности межзе-ренных границ в результате прохождения взрывных волн. В зоне предразрушения наблюдается как повышение микротрещи-нованности зерен, причем раскол монокристаллов может происходить в результате многоступеньчатого сдвига, так и меж-зерновая микротрещинованность, может также увеличиваться и расстояние межд> зернами.
При взрыве сферического заряда тэна массой 0,5 г и плотностью 1,6 г/см3 в граните максимальная микротрещинован-кость зерен кварца (80%), калиево-натриевого полевого шпата (80%) и платоклаза ■ 50%) наблюдается на расстоянии 15-20 радиусов заряда. На расстоянии 40-50 ра--иусов эти значения соответственно составляют 20%, 40% и 20%.
Результаты настоящих исследований процессов разупрочения массива горных пород послужили основой для совершенствования технологий и параметров взрывных работ на угольных шахтах.
Так при залегании в кровле угольного пласта труднообрушаемых пород осуществляется их принудительное обрушение посредством взрывания скважинных зарядов впереди фронта очистных работ. Использование в данном случае концепции пред-разрушения массива при взрывном воздействии вместо формальной модели радиального трещинообразования позволило рекомендовать уменьшение диаметра скважин с 120 мм до 76 мм при замене аммонита Т-19 на ВБ с большой концентрацией энергии.
Естественно сократились затраты на трудоемкие буровые операции, а применение водосодержащего В В позволило механизировать процесс заряжания скважин. Промышленные испытания на шахте им.60-летия Октября ПО "Караганда-уголь" подтвердили эффективность усовершенствованной технологии при использовании скважин уменьшенного диаметра и зарядов уменьшенной массы.
Другим направлением совершенствования горных работ является попытка расширения области применения комбайной проходки горных выработок за счет предварительного взрывного разупрочения массива. Эксперимент проводился на модельном гранитно-цементном блоке, разрушение которого осуществлялось проходческим комбайном ПК-9р, оснащенным дискошарошечным органом избирательного действия. Регистрация крутящего момента на валу исполнительного органа производилась с помощью тензодатчиков и осцилографа. После камуфлетного взры-
ва аммонита 6ЖВ массой 100 г, хотя и отмечалось уменьшение крутящего момента на 20-30%, но сильный износ шарошек так и не позволил осуществить механическое разрушение блока.
Следующие более удачные испытания иллюстрируют возможность повышения эффективности взрывных работ при проведении выработок по крепким породам. Как показывает анализ в большинстве забоев подготовительных выработок на угольных шахтах при проведении их в крепких породах удельный расход ВВ превышает 2,0-2,5 кг/м3, КИШ составляет 0,6-0,7; а среднемесячная скорость проходки не превышает 30-35м. Для проведения выработок по породам крепостью более 8-10 сотрудниками ИГД им.А.А.Ско-чинского, МакНИ И и ПЭУ БВР Донбасса предложен скважинно-шпуровой способ.
Сущность способа заключается в предварительном разупрочении массива горных пород взрыванием скважинных зарядов впереди фронта проходческих работ. Испытания этого способа проведены на шахтах ПО "Донбассантрацит”, ПО "Рове-нокиантрацит", ПО "Волошиловграду-голь", ПО "Краснодонуголь", ПО "Сверд-ловантрацит". В общей сложности с применением скважинно-шпурового способа пройдено около 300 м горных выработок. В процессе испытаний применялись различные схемы заряжания скважин. Длина скважин составляла 30-70 м, диаметр - 76, 93 и 105 мм, масса заряда в скважине равна 50-100 кг. В качестве забоечного материала применялась смесь гранулированной мочевины и хлористого калия. Бурение скважин производилось станками СБР-1М, НКР-100. После взрывания скважинных зарядов В В выработки проводились обычным шпуровым способом. Прохождение выработки по забоечной части осуществлялось с постепенным уменьшением удельного расхода ВВ.
В результате применения предварительного взрывного разупрочения пород получены следующие положительные результаты: подвигание забоя за цикл во всез случаях увеличилось на 0,18-0,55 м; КИШ составил 0,8-1,0; объем бурения шпуров
1 п.м нодвигания выработки сократился на 8,5-32,75 м; удельный расход ВВ сократился на 5,43-21,8 кг/м; выход негабарита уменшился на 15-25%.
В заключение необходимо отметить, что предразрушение массива имеет место не только при взрывном нагружении, но и при других способах воздействия на него. Дальнейшее изучение закономерностей изменения свойств и состояния массива в зоне предразрушения, особенно с учетом
временных факторов, представляет особый интерес, и является одной из важных задач геомеханики, решение которой могло бы существенно повлиять на развитие и совершенствование технологий горных работ.
(§> А.Н.Кочанос
УкюфСАЛЬ&Е злкоЩ рАзрАботд1й>с МЕ>клуЬдролйой
АССОЦИАЦИЕЙ философов- ПЕССИМИСТОВ (ЗАПИСлМа! А. БлОХОм)
Законы для молодых инженеров
Любая ошибка, которая может вкрасться в любой расчет, вкрадется в него.
Любая ошибка в любом расчете будет нацелена на причинение наибольшего вреда.
Во всякой формуле константы (особенно те, которые взяты из технических справочников) должны рассматриваться как переменные.
Самый важный размер на любой диаграмме или чертеже имеет наибольший шанс быть пропущенным.
Если опытная установка работает безукоризненно, все последующие будут неисправны.
Просьба об изменениях, которые совершенно необходимо внести в прибор, всегда поступает после того, как его изготовление почти закончено.
Части, которые просто нельзя собрать неправильно, псе же будут собраны неправильно.
Все сроки обязательств по поставкам надо умножать на коэффициент 2,0.
Технические параметры приборов, заявляемые фирмой - изготовителем, надо умножать на коэффициент 0,5.
Ожидания покупателей новой машины надо умножать па коэффициент 0,25.
Любое устройство, требующее наладки и регулировки, обычно не поддается ни тому, ни другому.
Если за ошибку в расчете отвечает больше одного человека, виноватых не найти.
Одинаковые приборы, проверенные одинаковым способом, буду!' в эксплуатации себя совершенно по-разному.
вести
Информация, ведущая к обязательному изменению проекта, поступит к автору этого проекта тогда, когда чертежи уже выполнены.
В простых случаях, когда отчетливо виден один явно правильный вариант и один явно неправильный, часто разумнее выбрать неправильный, чтобы быстрее приступить к неизбежным исправлениям.
