CC BY
39
Д.В. Доможиров, И.Е. Зурков, Д.Б. Симаков
ОЦЕНКА ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА БЕСПОЛЕЗНУЮ (ВРЕДНУЮ) РАБОТУ ПРИ ВЗРЫВАНИИ ОДИНОЧНЫХ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ДРОБЛЕНИЯ
Семинар № 3
ТЬ зрыв как источник энергии является ос-
-О новным способом разрушения горных пород. Энергия взрывчатого превращения трансформируется в различные формы механической работы. Использование энергии на полезные формы работы (дробление, перемещение) составляет 10-12 % потенциальной энергии взрыва, вследствие различных потерь [1].
К первичным потерям энергии относятся, так называемые потери поверхностного слоя, вызываемые разбросом части ВВ или неполной химической реакцией взрывчатого превращения массы ВВ. Это проявляется при взрыве удлиненных цилиндрических зарядов малого диаметра, а также при взрыве грубодисперсных, переувлажненных и слежавшихся ВВ. Поверхностные и химические потери энергии составляют несколько процентов всего баланса. Суммарные тепловые потери (идеальные термодинамические потери и потери на нагрев окружающей среды) составляют до 50-70 % потенциальной энергии ВВ [1].
Согласно балансу энергии [2] значительная часть затрачивается на бесполезные формы работы (образование сейсмических, ударных воздушных волн и разлет кусков взорванной горной массы), которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду, инженерные сооружения и людей.
Согласно закону сохранения энергии: евв = ЕД + Ес + Ер , Дж (1)
где ЕВВ - потенциальная энергия взрывчатого вещества, Дж; ЕД - доля энергии, расходуемая на бесполезную работу при взрыве (диссипативные потери), Дж; ЕС - доля энергии, идущая на сейсмоизлучение, Дж.; ЕР - доля энергии на полезные формы работы, Дж.
Источником сейсмических волн при взрыве является удар сжатых газов по стенкам зарядной полости, который вызывает перемещение частиц окружающего заряд массива горных пород. Интенсивность сейсмических волн зависит от свойств взрываемого массива и проводящей среды, а также параметров БВР. Энергия распространяющейся сейсмической волны складывается из кинетической энергии ЕК и потенциальной ЕП
[3]. Для элементарного участка среды, имеющего объем 5 (м3), кинетическая энергия определяется зависимостью:
1 2
ЕК = 2Р , Дж (2)
где р - объемная плотность кг/м3; V - скорость колебания, м/с.
Потенциальная энергия определяется работой упругих сил на участке среды длиной 1 (м):
Еп = 22 Е8Б 2(Г), Дж (3)
Л1
где 0(1) = — - относительная деформация; Е
- модуль упругости.
На основании инструментальных замеров скоростей смещения по трем составляющим на сейсмограмме полная энергия сейсмоколебаний определяется из соотношения [4]:
1 п
Ес = -Р*СРXVТп , Дж
2 і =1
(4)
где УІ - скорость колебания в отдельном полупе-риоде, м/с; ТІ - период колебаний, с; пі - число периодов; СР - скорость распространения продольных волн, м/с; Б - площадь элементарного участка среда, м2.
При взрыве скважинного заряда ВВ, образовавшийся объем газов, распределяется следующим образом: часть, вследствие высокого давления в зарядной полости распространяется по естественным трещинам массива и адсорбируется в отбитой породе, а другая прорывается в атмосферу, формируя слабую ударную волну, при этом образуется пылегазовое облако. Интенсивность ударных воздушных волн зависит от массы газов и их энергии, которые в свою очередь определяются условиями работы заряда ВВ, его конструкцией, свойствами ВВ, а также наличием и конструкцией забойки.
При взрыве скважинного заряда энергия ударной воздушной волны в первую очередь за-
висит от массы газов (кг), выбрасываемых из устья скважины [5]:
~КГ Бк, 4*2,
МИСТ =
2пт, V™
(5)
где К - постоянная Стефана-Больцмана, Дж/С0; Т - абсолютная температура газов при взрыве, С0; тг - масса молекулы газа, кг; БСКВ - площадь поперечного сечения скважины, м2; УСКВ - объем газов взрыва в скважине, равный объему скважины, м3; 1ИСТ - время истечения газов взрыва из скважины, с.
Энергию ударной воздушной волны при взрыве открытого заряда ВВ можно определять по следующей формуле [5]:
РУх
УВВ(откр)
= <2ч
1-
Дж (6)
(Г- 1)Рввб^0
где V» - предельный объем расширения газов взрыва соответствующий их остаточному давлению, равному давлению окружающей среды, м3; V0 - начальный объем заряда ВВ, м3; Ра - атмосферное давление, Па; рВВ - плотность ВВ, кг/м3; q - масса ВВ, кг; Q - удельная теплота взрыва ВВ, Дж/кг; у - показатель адиабаты.
С учетом формул (5) и (6) энергия ударной воздушной волны при взрыве скважинного заряда будет составлять:
Еу
^УВВ(СКВ)
1 —
РУ X
(7) Дж
(Ї-1) Рвв2Уо _ ’
Энергия продуктов взрыва, прорвавшихся из
КТ ІИСТ 2^СКВ $Пп
Іятіг УСКВ
устья скважины под большим давлением, преобразуется в кинетическую энергию элементов среды и обуславливает максимальную дальность разлета кусков породы [6, 7]. Скорость полета отдельных кусков можно определить с помощью видеосъемки или скоростной фотосъемки. Т.к. скорость V и масса т кусков различна, проводят усреднение скорости:
у = |т1У2+тгУ2+........+ т,у;
** т1 + т2.......тп
(8)
Потери энергии в механической работе по разлету осколков выражены кинетической энергией:
М У2 2
(9)
где М - масса разброшенных взрывом частиц.
Оценка доли энергии, затрачиваемой на бесполезные формы механической работы, определяется путем сравнения с потенциальной энергией взрыва заряда ВВ.
Следует отметить, что снижение энергетических затрат (сейсмо- и воздушно волновой эффект, разлет отдельных кусков породы) ведет к повышению полезного действия взрыва, при этом в атмосферу отмечается выброс меньшего объема вредных газов и пыли. Это позволяет исключить или значительно уменьшить ущерб, наносимый инженерным сооружениям, оборудованию и окружающей природной среде.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.М., Викторов С.Д. Современные проблемы разрушения массивов горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1998. 28 с.
2. Беляев А.Ф., Садовский М.А. О природе фугасного и бризантного действия взрыва. Физика взрыва. М.: 1952.
3. Коган С.Я. Сейсмическая энергия и методы ее определения. - М.: Наука, 1975. 152 с.
4. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. -М.: Недра, 1981.
5. Гурин А.А., Малый П.С., Савенко С.К. Ударные воздушные волны в горных выработках. - М.: Недра, 1983.
6. Казаков Н.Н. Взрывная отбойка руд скважинными зарядами. - М.: Недра, 1975.
7. Богацкий В.Ф., Фридман А.Г. Охрана инженерных сооружений и окружающей среды от вредного действия промышленных взрывов. - М.: Недра, 1982.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Доможиров Дмитрий Викторович - кандидат технических наук, доцент,
Зурков Иван Евгеньевич - аспирант,
Симаков Дмитрий Борисович - аспирант,
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
