CC BY
16
УДК 622.235
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ЗАРЯДА ВВ С ПОРОДОЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДРОБЛЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Ю.И. Виноградов, С.Я. Жихарев, С.В. Хохлов
Рассмотрено влияние диаметра заряда на эффективность взрывного дробления массива горных пород. Определен характер изменения скорости и ускорения смещения частиц массива горных пород при изменении поверхности заряда ВВ. Установлено, что коэффициент полезного действия взрыва определяется через удельную поверхность контакта заряда с массивом горных пород (отношение поверхности заряда к его массе). Предложена зависимость изменения коэффициента полезного действия взрыва от удельной поверхности контакта заряда ВВ с породой.
Ключевые слова: параметры буровзрывных работ, диаметр заряда, малый диаметр, взрыв, заряд, гранулометрический состав взорванной горной массы, поверхность контакта, скорость смещения частиц массива пород.
Одним из главных параметров буровзрывных работ, который влияет как на качество дробления массива горных пород, так и на технико -экономические показатели горного предприятия, является диаметр заряда ВВ.
Согласно принципу геометрического подобия влияние диаметра заряда на количественные характеристики гранулометрического состава взорванной горной массы определяется одинаковыми параметрами напряженного состояния массива при одинаковых значениях удельных энергозатрат на дробление [1]. Однако лабораторными исследованиями на модели из песчано-канифолевых смесей различного структурного строения Л.И. Барон и Г.П. Демидюк установили, что при сохранении постоянного значения удельной энергии ВВ степень дробления является линейной функцией от диаметра заряда. Кутузов Б.Н., Дубинин Н.Г., Бурлацкий Б.Л., Варени-чев Л.А., Друкованный М.Ф., Ефремов Э.И. и многие другие исследователи [1, 2, 3] пришли к выводу, что при увеличение диаметра заряда, для получения одинаковой степени дробления, требуется увеличение удельного расхода ВВ. Это свидетельствует о том, что условия подобия распределения энергии взрыва не обеспечивают подобного дробления массива горных пород, а суммарная удельная вновь образованная поверхность кусков раздробленной горной породы будет тем больше, чем меньше диаметр заряда. Этим объясняется факт увеличения нормы удельного расхода ВВ при больших диаметрах по отношениям к нормам, установленным для малых диаметров скважин.
Противоречие между законом подобия, по которому расстояния равных действий волн напряжений пропорциональны линейным размерам заряда ВВ и вышеуказанными фактами "улучшения" дробления с умень-
шением диаметра заряда можно объяснить только изменением доли энергии, которая передается зарядом массиву горных пород.
Изучение вопроса изменения затрат энергии взрыва на дробление горных пород [1, 4, 5] базируется на организации опытных взрывов в лабораторных условиях на моделях и на полигонах в условиях реального массива с дальнейшей апробацией полученных зависимостей на производстве. Как показал анализ выполненных ранее работ [6, 7], идеальный вариант планирования проведения экспериментальных работ, при котором изменяется лишь исследуемый параметр (диаметр заряда), практически невозможен. Поэтому была проведена следующая серия опытных взрывов при условии:
а) сохранения объема и физико-механических свойств массива горных пород, полной энергии и высоты заряда, плотности и типа ВВ, объема заряда при изменении его диаметра и конструкции;
б) сохранения объема и физико-механических свойств массива горных пород, полной энергии заряда, плотности и типа ВВ, объема заряда при изменении его диаметра и высоты.
Проведение этих двух вариантов экспериментов, по мнению авторов, позволяет с достаточной вероятностью судить о том, какая характеристика заряда ВВ при изменении его диаметра влияет на КПД взрывного дробления.
Первый вариант экспериментов был выполнен [7] в условиях железистых кварцитов Оленегорского карьера при использовании метода во-ронкообразования. Результаты действия взрыва зарядов ВВ, размещенных в скважинах, пробуренных в массиве на различной глубине от свободной поверхности оценивались объемом воронки разрушения и гранулометрическим составом взорванной горной массы. Кроме того, условия проведения экспериментов включали в себя определение кинематических параметров движения среды в волне напряжений при малых значениях относительных расстояний заряда, т.е. практически в зоне разрушения. Экспериментальные взрывы проводились на специально подготовленном участке карьерного поля по следующей схеме.
1. Диаметр заряда в различных сериях данного опыта составлял соответственно 76, 105 и 132 мм при сохранении его высоты, энергии и типа ВВ. В данном эксперименте применялся аммонит № 6ЖВ. Масса заряда выдерживалась постоянной и составляла 1,6 кг. Одинаковая высота зарядов в каждой серии взрывов соблюдалась путем размещения в центре заряда бетонных стержней. Технология изготовления зарядов заключалась в приготовлении бумажных гильз диаметром 76, 105, 132 мм и бетонных стержней 73, 108 мм, которые вставлялись в бумажные гильзы диаметром 105 и 132 мм, в радиальный зазор между гильзой и стержнем насыпался заряд аммонита № 6ЖВ массой 1.6 кг (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция зарядов
2. Заряды каждого диаметра размещались в скважинах переменной глубины: 2,0; 1,6; 1,2; 0,9; 0,6 м.
3. Скорость детонации ВВ в зарядах различного диаметра контролировалась у свободных зарядов ВВ, а также непосредственно в скважинах.
4. После взрыва проводился обмер объема полученных воронок с определением гранулометрического состава взорванной горной массы ситовым анализом и фотопланиметрией.
5. Значения ускорений сейсмовзрывных волн на различных относительных расстояниях от центра заряда определялись при помощи пьезоак-селерометров.
В контрольной серии взрывов при сплошной колонке заряда диаметром 76 мм акселерометры устанавливались в измерительных скважинах на одной глубине с центром заряда, в точках, расположенных на прямой, перпендикулярной оси заряда по центру его длины.
В двух остальных сериях замеры параметров движения частиц массива проводились на одинаковых абсолютных расстояниях от центра заряда, равных 1,6 м, в большинстве опытов измерительные приборы устанавливались на относительных расстояниях, равных 10...70 радиусам зарядов, т.е. в той зоне, для которой в настоящее время получена наиболее обширная и надежная информация о характере движения частиц массива горных пород.
Данные замеров представлены на рис. 2, где по оси абсцисс отложены относительные расстояния, а по оси ординат - значения скоростей и
ускорений смещения частиц. Эпюры скорости смещения среды получены путем интегрирования эпюр ускорений по времени.
Анализ данных измерений кинематических параметров частиц массива в сейсмовзрывной волне [8, 9] показал, что характер изменения скоростей и ускорений на полигоне в функции относительного расстояния соответствует характеру изменения скоростей в том же диапазоне относительных расстояний, полученных рядом авторов в существенно разных по физико-механическим свойствам массивах горных пород.
Наиболее важный результат проведенных исследований состоит, как видно из графика рис. 2, в том, что определен характер изменения скорости и ускорения массива пород при изменении поверхности заряда ВВ.
100 -
О скорость смещения частиц массива
• ускорение смещения частиц массива
«
* 10 >
1 -
10 _ 100
р
Рис. 2. Изменение скорости и ускорения смещения частиц массива пород на различных относительных расстояниях от центра заряда
Значения этих величин, измеренные на одинаковых расстояниях от центра заряда, приведенные к их действительным радиусам, соответствуют значениям скоростей и ускорений в массиве пород, полученным для сплошного заряда ВВ в контрольной серии опытов.
Этот факт свидетельствует о том, что заряд с инертным вкладышем работает подобно сплошному заряду этого же диаметра, объем которого больше объема действительного заряда на величину, равную объему инертного вкладыша [10]. Это важное обстоятельство позволяет считать, что увеличение удельной поверхности заряда постоянного веса при увеличении его диаметра с заполнением центральной части заряда инертным вкладышем увеличивает зону сейсмического действия взрыва (зону с равными значениями скоростей и ускорений смещения массива пород) пропорционально условному увеличению удельного объема зарядов ВВ.
Интересно сопоставить полученный результат с данными по определению разрушающего действия взрыва в этой же серии опытов. Определение объемов воронок разрушения показало, что значение максимального объема воронки разрушения соответствует таким значениям приведенной к массе заряда ЛНС, которые отличаются друг от друга пропорционально корню кубическому из соотношения квадратов диаметров зарядов ВВ.
Относительное значение КПД взрывного дробления, рассчитанное в соответствии с методическими рекомендациями [11], показало, что значения КПД взрывного дробления по трем сериям опытов меняются пропорционально квадрату относительного диаметра заряда (рис.3) или пропорционально отношению объемов зарядной полости в соответствии с зависимостью
— = —,
V
V V у
(1)
где - соответственно удельные объемы цилиндрических зарядов диаметра В,, .
—-10~6, — а
2 3
м кг
2,5
1,5
0,5
д Д
✓ / □ ' □ > \ А \ *
' □ ' У - * . * 1 »
N \ 1 % 1
Л //Гч % 1 %
* У 1 1 д
• диаметр 76 мм ° диаметр 105 мм д диаметр 132 мм -Линия тренда (76 мм)
- — Линия тренда (105 мм)
- - 'Линия тренда (132 мм)
0,5
1,5
Ж
2
0
0
2
Рис. 3. Влияние диаметра заряда ВВ постоянной энергии и объема на эффективность взрывного дробления
Таким образом, серия экспериментов по взрыванию массива горных пород зарядами постоянного веса и переменного диаметра с заполнением центральной осевой части заряда инертным вкладышем установила (по данным регистрации волновых процессов акселерометрами), что равные значения скоростей и ускорений смещения точек горного массива соответствуют одинаковым значениям относительных расстояний до заряда ВВ.
Используя соотношения из работы [11], данные по дроблению массива зарядами с инертными вкладышами можно сравнить с данными по дроблению зарядами диаметром 76 мм.
Результаты эксперимента говорят о том, что линейное увеличение поверхности заряда ВВ пропорционально диаметру заряда сопровождается увеличением КПД взрывного дробления и зоны равных значений скоростей и ускорений массива пород пропорционально квадрату диаметра заряда.
В обоих случаях результаты действия взрыва не зависят от конструкции заряда, а полученные значения относительного КПД зарядов 105 и 132 мм с инертными вкладышами соответствуют этим же показателям плотных зарядов такого же диаметра.
Таким образом, если при расчете показателя эффективности взрывного дробления и значения приведенной ЛНС увеличить в двух последних случаях объем заряда на величину объема вкладыша, можно получить серию модельных кривых, совпадающих на всем диапазоне замеренных значений (рис. 4).
плотный заряд диаметром 76 мм
условный (увеличенный) заряд диаметром 105 мм
условный (увеличенный) заряд диаметром 132 мм
Линия тренда заряд 132 мм Линия тренда заряд 105 мм Линия тренда заряд 76 мм
%
Рис. 4. Изменение эффективности взрывного дробления от приведенной ЛНС условного заряда для диаметров 76,105 и 132 мм
Проведенная серия опытов убедительно показала, что эффективность дробления горных пород взрывом определяется периферийной частью заряда ВВ, приращением поверхности заряда, эквивалентного приращению его объема, именно потому, что за счет центральной (непроизводительно затрачиваемой его части) увеличивается периферийная масса заряда.
Изменение КПД взрыва (см. данные на рис. 3) как функция удельной поверхности контакта заряда ВВ с породой (отношение поверхности заряда к его массе) описывается следующей зависимостью:
1 = 1о
* < П Рс
V * о
(2)
где П, р - соответственно длина, диаметр и плотность нового заряда ВВ.
Второй вариант экспериментов был выполнен на гранитогнейсах в Ленинградской области.
Методикой экспериментальных исследований предусматривалось проведение трех серий опытных взрывов одиночного заряда аммонита №6 ЖВ в скважинах диаметрами 64, 89, 102 мм, массой 1,2 кг, расположенного всегда на одной глубине 1,2 м. Таким образом, глубина заложения заряда соответствовала приведенной ЛНС, равной 1,0, при которой были получены максимальные значения скоростей и ускорений смещения массива горных пород. Кинематические параметры движения среды измерялись пьезоакселерометрами, которые располагались на одинаковом расстоянии от заряда, равном 1.0 м, что соответствует для диаметра заряда 64 мм тридцати относительным радиусам (30 Я3).
Взрыв заряда ВВ каждого диаметра повторялся 4 раза. Результаты измерений представлены в табл. 1 .
Таблица 1
Результаты измерений скоростей смещения массива горных пород
Диаметр заряда Б, мм Масса заряда О, кг Плотность заряжания р, кг/м Длина заряда 1з, м Площадь контакта ВВ с породой 8 м2 Удельная поверхность контакта заряда, м /кг Скорость смещения массива г.п. и, м/с
102 1,2 900 0,163 0,052 0,04 5,0
89 1,2 900 0,214 0,060 0,05 6,5
64 1,2 900 0,414 0,083 0,07 8,0
Сопоставление данных результатов с результатами исследований, выполненных в условиях железистых кварцитов (табл. 2), свидетельствует о том, что зависимости изменения кинематических параметров движения среды от удельной поверхности контакта заряда с породой при взрыве зарядов постоянной и переменной высоты подобны.
Таблица 2
Результаты измерений скоростей смещения массива горных пород (железистый кварцит Оленегорский ГОК)
Диаметр заряда D, мм Масса заряда Q, кг Плотность заряжания р, кг/м Длина заряда 1з, м Площадь контакта ВВ с породой S, м2 Удельная поверхность контакта заряда, м /кг Скорость смещения массива г.п. U, м/с
76 1,6 900 0,4 0,096 0,04 5,6
105 1,6 900 0,4 0,08 0,05 8,2
132 1,6 900 0,4 0,1 0,07 15,9
Из вышеприведенных результатов следует, что сейсмический эффект взрыва [8], т.е. скорость смещения точек горного массива в сейсмовзрывной волне является функцией удельной поверхности контакта заряда с массивом горных пород, а изменение КПД взрывного дробления может быть определено зависимостью (2).
Список литературы
1. Esen S., Onederra I., Bilgin H.A. Modelling the size of the crushed zone around a blasthole // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. June 2003. Vol. 40. Issue 4. P. 485-495.
2. Mohanty B., Zhu Z., Paventi M. Numerical simulation of explosion-induced fractures in rocks // Proceedings of the 14th International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection, MPES and the 5th International Conference on Computer Applications in the Minerals Industries. CAMI. 2005.
3. Hieu C.K. Experimental research and estimate of influence of borehole charge design on seismic intensity of largescale blasting in open-pit coal mines in Vietnam // Gornyi Zhurnal. 2014. № 9. Р. 118-120.
4. Wang Z.L., Konietzky H., Shen R.F. Coupled finite element and discrete element method for underground blast in faulted rock masses // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2009. Vol. 29. Issue 6. Р. 939-945.
5. Amichai Mitelman, Davide Elmo Modelling of blast-induced damage in tunnels using a hybrid finite-discrete numerical approach // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2014. Vol. 6. Issue 6. Р. 565-573.
6. Влияние соотношения глубины заложения заряда и массы ВВ на параметры сейсмовзрывных волн в ближней зоне взрыва / Ю.И. Виноградов, В.А. Артемов, Е.Ю. Виноградова, С.Г. Гендлер // Взрывное дело. 2009. №101/58. C. 303-307.
7. Измерение сейсмовзрывных волн в массиве при взрыве заряда ВВ постоянной энергии и переменного диаметра / В.П. Макарьев, Ю.И.
Виноградов, М.А. Нефедов, Е.А. Деев // Взрывное дело. 1983. №85/42. С.124-127.
8. Господариков А.П., Выходцев Я.Н., Зацепин М.А. Математическое моделирование воздействия сейсмовзрывных волн на горный массив, включающий выработку // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 405-411.
9. Onederra Italo A., Furtney Jason K., Sellers Ewan Stephen Iverson Modelling blast induced damage from a fully coupled explosive charge // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 58. Р. 73-84
10. Singh P.K., Roy M.P., Sinha A. Initiation mode of explosives vis-avis blast performance // Journal of Mines, Metals and Fuels. 2014. 62 (5-6). P. 145-151.
11. Виноградов Ю.И. Исследование удельных энергозатрат и сетки расположения скважин на эффективность дробления горных пород взрывом: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л.: ЛГИ, 1976.
Виноградов Юрий Иванович, канд. техн. наук, доц., vinogradov_ji@,spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Жихарев Сергей Яковлевич, д-р техн. наук, гл. науч. сотр., perevolo-ki55@mail.ru, Россия, Пермь, Горный институт уральского отделения Российской академии наук (ГИ УрО РАН),
Хохлов Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., khokhlov_sv@,spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
THE INFLUENCING SURFACE OF THE CHARGE CONTACT WITH THE ROCK ON THE EFFICIENCY OF EXPLOSIVE CRUSHING OF A ROCK
J.I. Vinogradov, S. Ya. Zhikharev, S. V. Khokhlov
The influence of the charge diameter on the efficiency of explosive crushing of a rock is considered in the article. The nature of the change in the velocity and acceleration of the displacement of the particles of the rock is determined in the presence of the charge surface of the explosives changes. It is established that the efficiency of the explosion is determined through the specific surface of the charge contact with the rock (the ratio of the charge surface to its mass). The dependence of the change in the coefficient of efficiency of the explosion on the specific surface of a contact of a charge of explosives with the rock is proposed.
Key words: drilling-and-blasting parameters, charge diameter, smaller diameter, blast, charge, grain-size composition of the blasted rock mass, surface of the charge contact, velocity of the displacement of the particles of the rock.
Vinogradov Юрий Иванович, candidate of technical sciences, docent, vinogra-dov_ji@pers. spmi. ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Zhikharev Sergei Yakovlevich, doctor of technical sciences, chief researcher, perevo-loki55@,mail. ru, Russia, Perm, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Sciences Academy,
Khokhlov Сергей Владимирович, candidate of technical sciences, docent, khokhlov_sv@,spmi. ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
Reference
1. Esen S., Onederra I., Bilgin H.A. Modelling the size of the crushed zone around a blasthole// International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. Volume 40. Issue 4. June 2003. Pages 485-495.
2. Mohanty B., Zhu Z., Paventi M. Numerical simulation of explosion-induced fractures in rocks// Proceedings of the 14th International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection, MPES and the 5th International Conference on Computer Applications in the Minerals Industries. CAMI. 2005.
3. Hieu C.K. Experimental research and estimate of influence of borehole charge design on seismic intensity of largescale blasting in open-pit coal mines in Vietnam (2014) Gornyi Zhurnal, (9). R. 118-120.
4. Wang Z.L., Konietzky H., Shen R.F. Coupled finite element and discrete element method for underground blast in faulted rock masses// Soil Dynamics and Earthquake Engineering. Volume 29. Issue 6. 2009. R. 939-945.
5. Amichai Mitelman, Davide Elmo Modelling of blast-induced damage in tunnels using a hybrid finite-discrete numerical approach// Journal of Rock Mechanics and Geotech-nical Engineering. Volume 6. Issue 6. 2014. R. 565-573.
6. Vlijanie sootnoshenija glubiny zalozhenija zarjada i massy VV na parametry sejsmovzryvnyh voln v blizhnej zone vzryva/ Ju.I. Vinogradov, V.A. Artemov, E.Ju. Vinogradova, S.G. Gendler// Vzryvnoe delo. №101/58. M., 2009. C. 303-307.
7. Izmerenie sejsmovzryvnyh voln v massive pri vzryve zarjada VV postojan-noj jenergii i peremennogo diametra/ V.P. Makar'ev, Ju.I. Vinogradov, M.A. Nefedov, E.A. Deev // Vzryvnoe delo. M.: Nedra. 1983. №85/42. S.124-127.
8. Gospodarikov A.P., Vyhodcev Ja.N., Zacepin M.A. Matematicheskoe modeli-rovanie vozdejstvija sejsmovzryvnyh voln na gornyj massiv, vkljuchajushhij vyrabotku // Zapiski Gornogo instituta. 2017. T. 226. S. 405-411.
9. Onederra Italo A., Furtney Jason K., Sellers Ewan Stephen Iverson Modelling blast induced damage from a fully coupled explosive charge// International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Volume 58. 2013. R. 73-84
10. Singh P.K., Roy M.P., Sinha A. Initiation mode of explosives vis-a-vis blast performance// Journal of Mines, Metals and Fuels, 2014. 62 (5-6). P. 145-151.
11. Vinogradov Ju.I. Issledovanie udel'nyh jenergozatrat i setki raspolozhe-nija skva-zhin na jeffektivnost' droblenija gornyh porod vzryvom: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. L.: LGI, 1976.
