Обоснование и разработка способа создания в сложноструктурных массивах рационального напряжённого состояния при взрывной рудоподготовке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

В.Н. Анисимов

ОБОСНОВАВНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА СОЗДАНИЯ В СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАССИВАХ РАЦИОНАЛЬНОГО НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ВЗРЫВНОЙ РУДОПОДГОТОВКЕ

Эффективность взрывного разрушения крепких кри-сталллических горных пород можно резко повысить применением групповых взрывов, что приводит к суперпозиции взрывных волн на трудновзрываемых и труднообогати-мых участках в сложноструктурных массивов, например железистых кварцитов.

Оценить форму и возможные размеры зон нарушения в результате взрыва группы скважинных зарядов позволяет построение динамических полей напряжений, образующихся в результате интерференции от взаимодействия, например, двух соседних зарядов.

Интерференция волн напряжений при одновременном и однонаправленном инициировании двух скважинных зарядов приводит к уменьшению растягивающих напряжений и к уменьшению площади, охватываемой соответствующей изобарой [1]. Поэтому инициирование соседних зарядов в ряду должно производится не одновременно, а с замедлением, выбранным в соответствии с параметрами детонации и упругими характеристиками горной породы.

На примере расчёта зон разрушения и микротрещиноватости при взрыве системы скважинных зарядов ниже будет показана эффективность выбора интервала запаздывания между взрывами ближайших зарядов порядка нескольких миллисекунд, поскольку при этом удаётся обеспечить усиление импульсов напряжений между зарядами, а также избежать возникновения областей, где взрывные волны взаимно нейтрализуют друг друга.

Расчёт различных параметров схем короткозамедленного взрывания представляет для пород, как правило, отдельную

задачу, учитывающую и усреднённые характеристики, и анизотропию сред.

При теоретическом исследовании механизма изменения состояния микроструктуры железной руды, в результате взрывного воздействия, необходимо учитывать, что руда является многокомпонентным поликристаллическим агрегатом, зерна которого хаотически распределены в пространстве и обладают анизотропией физических свойств, соответствующей симметрии кристаллической структуры основных породообразующих минералов.

Взрывная подготовка руды, которая является частью техологии добычи и переработки, должна кроме разупроч-ения, обеспечить также селективность измельчения руды, снизить при этом интенсивность разрушения полезных минералов.

Поскольку железистые кварциты представляют собой многокомпонентную анизотропную среду, то интенсивность развития микродефектов и последующее разрушение в определяющей мере будут зависеть от параметров взрывной волны, различия физических свойств составляющих кварциты минералов и направления действия взрывных нагрузок. Критерием плотности микродефектов может, в частности, служить количество поглощённой энергии.

В плане практической реализации управления взрывным воздействием на руду при её отбойке, важнейшее значение приобретает изучение происходящих при этом изменений в свойствах породообразующих минералов, что позволяет оценить их поведение в последующих процессах дробления и измельчения.

Исследования микротвёрдости минералов [1] показали, что микротвёрдость магнетита мало зависит от интенсивности и от направления действия взрывных волн. Микротвёрдость гематита заметно снижается (до 20-22 %), причём в наибольшей степени это проявляется при действии волн, перпендикулярно слоистости, а микротвёрдость кварца резко возрастает (на 40-44 %) как при параллельном, так и при перпендикулярном слоистости действий волн.

Таким образом, если рудные зёрна под действием взрыва сохраняют, или даже повышают свою пластичность, то

кварц становится более хрупким (этим объясняется снижение работы разрушения кварца на 12-32 % и увеличение её на 5-10 % для магнетита).

Полученные данные позволяют установить показатель хрупкости минералов и оценить характер его изменения в результате действия взрыва.

Объяснение указанных изменений механических свойств минералов, вызванных взрывным нагружением, лежит в изменениях структуры минералов, вследствие взаимодействия волн напряжений с несовершенствами кристаллической решетки в объёме минералов и по границам зёрен. Поэтому исследования следует вести на основе системного подхода к изучению формирующихся при этом дислокаций.

Имеющиеся результаты [1] показывают, что развитие микродефектов структуры железистых кварцитов при взрыве происходит, в основном, по границам зёрен породообразующих минералов, а отмеченное повышение микротвёрдости и хрупкости кварца наряду с развитием микродефектов обуславливает повышение избирательности измельчения кварцитов.

Следствием развития микродефектов структуры является, в частности, существенное снижение прочности кварцитов на одноосное сжатие, которое на расстоянии 5-6 радиусов заряда от его оси достигает 55-60 %. Причём в достаточно близкой от заряда зоне прочность руды более существенно снижается при направлении распространения взрывных волн, соответствующей оси анизотропии кварцитов. С увеличением расстояния от заряда разупрочняющее действие взрыва снижается и становится мало зависящим от направления действия взрывных волн.

Из результатов проведённых исследование вытекает, что для более интенсивного снижения прочности руды следует увеличивать удельный расход ВВ до 1,6-2,0 кг/м3 и выбирать направление отбойки с учётом структуры железистых кварцитов [2]. Таким образом, помимо своей технологичности взрывное воздействие на руды на стадии их подготовки к последующей переработке и обогащению вполне соответствует рациональной организации процесса раскрытия минералов.

Проведём анализ поля напряжений, которое образуется при интерференции взрывных волн, поскольку это имеет важное значение при разработке новых схем взрывания. В настоящей работе предлагается метод расчёта импульсов напряжений взрывных волн с использованием которого решена задача об эффективности взрывания четырёх зарядов с различными интервалами замедления.

Рассмотрим группу из п скважинных зарядов, взрываемых в массиве скальных горных пород. На основании известных закономерностей распространения взрывных волн в горной среде [1, 3, 4] динамические напряжения в некоторой её точке т0, расположенной на расстоянии г от взрываемого

удлинённого заряда, аппроксимируем двухосным прямоугольным импульсом с радиальной (аг (г)) и тангенциальной (ад (t)) составляющими (рис. 1).

стг (0 = # - С )-д( - Ч)]; (1)

r

Bit)[

7r'

Rz

R H и

О, если t < t

°e(t) = — [e(t- tn )-e(t- tk)];

где r = z; tH = RoZ C; tt = tH + (a + bz)10~4C ;

d(t -1) =

1, если t > t

(2)

В формулах (2) v - средняя скорость распространения взрывных волн; функции A(t) и B(t) - амплитуда соответственно растягивающих и сжимающих напряжений (рис. 1), а также параметры n, a, b зависят от вида применяемого ВВ и физико-технических свойств пород; Ro - радиус

скважинного заряда.

На основании [5] в результате интерференции волн напряжений от всех взрываемых зарядов нормальное р) и касательное <j(t,P) напряжения на произвольной элемен-

тарной площадке, проходящей через точку m0 и имеющей нормаль n , которая составляет угол в с произвольной фиксированной осью на плоскости rd , равны:

n

°n (ta) = Z ((cos2 а + °віsin2 а): (3)

i=1

n

(ta) = Z (°n- °вг)cos аsin а,

i=1

где а - угол между нормалью n и радиус-вектором, проведённым в точку m0 из центра /-ой скважины (рис. 2).

В качестве основных параметров, характеризующих поле напряжений, возникающее при взрыве n зарядов, взяты следующие величины:

k

Jh = max jaw (t,a) \ (4)

a Th

Tk

Jk = max j ot (t,ad , (б)

a t

Th

где тн = тт (tm ) , Тк = тах (^.) .

\<г<п \<г<п

В формулах (4-5) Зн и Jk - интегральные выражения, которые представляют собой импульсы нормального °п Ц,Р) и касательного тп(t,в) напряжений, рассчитанные для произвольной площадки с нормалью п = п (в), проходящей через рассматриваемую точку.

В качестве параметров Jн и Jk берутся максимальные из этих импульсов. Отметим, что параметры Jн и Jk характеризуют разрушение соответственно путём отрыва и сдвига.

Анализ динамического поля напряжений для изотропной среды осуществляется по изолиниям параметров Jн и Jk. С этой целью был разработан алгоритм расчёта этих параметров, основанный на кусочно-постоянной аппроксимации интегральных выражений (4).

i53

В качестве примера приведены результаты расчёта импульсов Зн и Jk для случая взрыва четырёх скважинных зарядов в горной среде, сложенной скальными горными породами. Полагаем, что скважины имеют радиус ^ =

0,125 м и расположены таким образом, что их центры Ci (i = 1, 2, 3, 4) являются вершинами параллелограмма со стороны 6 и 9 м и малой диагональю 7 м, что соответствует диагональной схеме коммутации скважинных зарядов. Для параметров волны напряжений в

Рис. 1. Двухосный прямоугольный импульс с радиальной в() и тангенциальной ав(1) составляющими

формулах (1), (2) примем следующие значения: A(t) = =2104 МПа, B(t) = 5103 МПа, a = 2, b = 1/15, n = 1,5, v = =4000 м/с

[4-6].

П

1 /

'у

ЖР

А м°

/ I

/ 1

i р

1

С, 1

1 .

На рис. 3-6 представлены изолинии параметров Jн (рис. 3 и 4) и Jk (рис. 5 и 6), расположенные в областях, оконтуренных параллело-

12 3 4

граммом с1с2с3с4, в вершинах которого находятся скважины. Рис. 3 и 5 относятся к случаю одновременного взрывания зарядов, а рис. 4 и 6 - к случаю взрыванию зарядов С1 в порядке их нумерации с интервалами за-

паздывания гз = 2,510-3 с. Изолиниям 1, 2, 3, 4 и 5 отвечают следующие значения максимальных импульсов Jн и Jk = 2,510-2 МПас, 510-2 МПас, 610-2 МПас, 8-10-2 МПас, 10-1 МПас.

Из анализа представленных изолиний следует, что при одновременном взрывании зарядов возникают области (на рис. 3 они оконтурены изолиниями 1), где параметр Jн , характеризующий разрушение путём отрыва и формирование радиальных трещин, принимает сравнительно невысокие значения:

Рис. 2. Схема к определению максимальных импульсов в произвольной точке Мо

Рис. 3. Изолинии максимальных нормальных импульсов при мгновенном взрывании

Рис. 4. Изолинии максимальных нормальных импульсов при взрывании с миллисекундным интервалом замедления

порядка 1,5-2,510-2 МПас. Образование указанных областей объясняется нейтрализацией в них потенциальных растягивающих напряжений радиальными сжимающими от соседних зарядов. В то же время в областях между зарядами, где наложение взрывных волн приводит к сложению тангенциальных О)

и К Сг

Рис. 5. Изолинии максимальных касательных импульсов при мгновенном взрывании

Щ 7* Сг

Рис. 6. Изолинии максимальных касательных импульсов при взрывании с миллисекундным замедлением

напряжений, импульс Зн принимает относительно высокие значения, что выражается в вытягивании изолиний 3 навстречу друг другу.

Анализ изолиний параметра Зн для случая взрывания с интервалом замедления = 210-3 с (рис. 4) показывает, что при таком способе взрывание удаётся избежать формирования областей нейтрализации растягивающих напряжений, а также добиться сохранения эффективного взаимодействия волн напряжений между зарядами.

Изолинии параметра Jk, представленные на рис. 5 и 6 соответственно для случаев одновременного инициирования зарядов и взрывания с ^ = 210-3 с, принципиально не отличается.

Если в приведённыё параметры А(0, £(0 , а, Ь и п ввести, не усреднённые характеристики горной породы [4-6], а характеристики, вытекающие из физико-механических свойств (плотность, модуль Юнга, скорость упругих волн) железистых кварцитов, то изменение параметров (большая плотность, например) приведёт к некоторому изменению схемы коротко-замедлённого взрывания. В частности, при выбранной сетке скважин (с расстоянием 6 м) время замедления уменьшится до 1,5 мс.

Основные результаты и выводы

1. На основании анализа явления изменения концентрации дефектов в среде под действием импульсных нагрузок проведённого с применением кинетической теории прочности твёрдых тел и с учётом анизотропии среды установлено, что при действии взрывных волн на железистые кварциты микротрещины преимущественно будут развиваться на границах зёрен минералов, что способствует избирательности измельчения руды и повышению полноты раскрытия зёрен.

2. Проведена теоретическая оценка размеров различных зон разрушений. Характер разрушения среды описан с использованием коэффициента накопления повреждений, который зависит от структурных параметров среды и от приложенного динамического напряжения, что позволит в дальнейшем направленно варьировать нагрузки для получения необходимого режима разрушения.

3. Показано, что для повышения эффективности взрыв-ного воздействия необходимо снижение максимальных дав-лений и увеличение времени действия продуктов дето-нации до десятков миллисекунд. Это можно добиться, в частности, использованием зарядов с воздушными промежутками.

4. Предложен метод расчёта импульсов нормальных и касательных напряжений, отвечающих за разрушение горной среды соответственно путём отрыва и сдвига.

5. Показано, что взрывание сетки скважинных зарядов с интервалом замедления порядка (1,5-2,0)10-3 с, обеспечивает эффективное взаимодействие взрывных волн.

6. Производственные испытания показали эффективность расчётных параметров обеспечивающих эффективное взаимодействие взрывных волн от различных групп скважинных зарядов, за счёт принципа автомодельности формирования степени нарушенности при последовательном взрывании групп зарядов в крыльях, а также трудно взрываемых и труд-нообогатимых участках в ядрах антиклинальных и синклинальных складок. Указанные параметры и условия взрывания обеспечивают повышение производительности и снижение энерго-

затрат на 10-15 % при последующем переделе взорванной горной массы.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кошелев Э.А. Взаимодействие волн напряжений при взрыве двух скважинных зарядов. ФТПРПИ, 1983, №1, с. 52-59.

2. Потапов А.И., Репин Н.Я. Использование энергии взрыва для повышения эффективности рудоподготовки и обогащения железных руд. Развитие техники и технологии рудоподготовки в горной металлургии. - М.: Недра, 1983.

3. Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом. - М.: Госгортехиздат, 1962.

4. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Сб. Взрывное дело. М., 1976, №76/33.

5. Тимошенко С.П., Гудьер Дж., Теория упругости. - М.: Наука, 1979.

|— Коротко об авторах---------------------------------------

Анисимов В.Н. - Московский государственный горный университет.

--------------------------- © М. Г. Горбонос, В. А. Белин,

Е. А. Мамонов, А.Ю. Дмитриев, О.Н. Кирсанов, 2007

М.Г. Горбонос, В.А. Белин, Е.А. Мамонов,

А.Ю. Дмитриев, О.Н. Кирсанов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГАЗОГЕНЕРАТОРАМИ ТИПА ГХП

Газогенераторы хлоратные патронированные (ГХП), предназначены для создания необходимого давления в