Воздействие взрыва на окружающую природную среду

Классификация зарядов ВВ

 

Для разрушения массива горных пород применяют взрывы различных зарядов взрывчатых веществ, т.е. определенного количества ВВ, подготовленного к взрыву. Заряды в зависимости от цели, назначения и условий, в которых они работают, классифицируют по нескольким признакам: по форме, конструкции, способу приложения к взрываемому объекту и по характеру действия на массив породы.

По форме различают следующие заряды:

- сосредоточенные (заряды, имеющие форму шара, куба, цилиндра и т.п., у которых отношение наибольшей стороны к наименьшей менее 3–5 единиц);

- удлиненные (цилиндрические заряды, у которых отношение длины к диаметру превышает 3–5 единиц, такие заряды называют еще колонковыми);

- фигурные (условно образующие П-, Г-, Т-форму и другие заряды сложной формы);

- листовые (отношение длины или ширины во много раз превышает толщину, обычно это заряды пластического ВВ).

По положению:

- наружный или накладной (заряд, помещаемый на взрываемый объект, применяют в основном для дробления негабарита, обрушения козырьков на уступах, в операциях по металлообработке);

- внутренний (заряд, помещаемый внутрь взрываемого объекта – шпуры, скважины, камеры; применяют для отбойки минерального сырья, с целью его дробления и последующей переработки; для проведения подземных горных выработок, сооружения каналов, траншей и т.д.).

По конструкции:

- сплошной (не разделенный промежутками);

- рассредоточенный (отдельные части которого разделены промежутками воздуха, измельченной породы, воды и т.п.).

По характеру действия на среду:

- заряд камуфлета (при взрыве разрушение, измельчение и трещинообразование происходят только вокруг места расположения заряда без проявления видимых разрушений на открытой поверхности (рис.34,а));

- заряд откола (при взрыве происходит откол породы у открытой поверхности и разрушение вокруг заряда, рис.34,б);

- заряд рыхления (дробление породы происходит в объеме, начиная от места расположения заряда до открытой поверхности массива без ее выброса из зоны или воронки разрушения, рис.34,в);

- заряд выброса (вызывает дробление и выброс породы за пределы воронки взрыва, рис.34,г).

Рис.34 Действие взрыва различных зарядов ВВ:

а – камуфлетного; б – откольного; в – рыхления; г – выброса.

 

Характеристика зарядов ВВ

 

Кумулятивные заряды

 

Кумуляция – это существенное увеличение действия взрыва в определенном направлении, достигаемое специфической формой заряда взрывчатого вещества. Кумулятивный заряд – заряд ВВ с выемкой (конической, полусферической и др.) в основании, в результате взрыва которого газообразные продукты детонации образуют сходящийся к выемке поток, называемый кумулятивной струей. Кумулятивные заряды бывают цилиндрические и удлиненные. Применяются для разрушения металлических преград, горных пород и других материалов. Широко используются при проведении прострелочных работ в скважинах.

Первые публикации о применении кумулятивных зарядов в горном деле появились Горном журнале в 1947г. Кумулятивный эффект применялся главным образом для инициирования аммонита, разрушения крепких пород, мерзлых грунтов, в капсюлях-детонаторах и ЭД.

На рис.35 показано действие на среду кумулятивных зарядов. Основные соотношения для кумулятивных зарядов (см. рис.36).

Скорость кумулятивной струи V_К:

V_К=V₀[(1/sinα)+(1/tgα)],

где V₀ – скорость, которую сообщают продукты взрыва металлу облицовки кумулятивной выемки; α – половина угла раствора конической выемки.

Давление, производимое кумулятивной струей на преграду:

P=0,5·(V_К)²·ρ₀,

где ρ₀ – плотность материала облицовки.

Суммарная длина канала L, пробиваемого кумулятивной струей, растет с увеличением начальной длины струи, отношения головной и хвостовой скоростей струи, отношения плотностей струи и преграды (рис.35,б,в).

 

А б в

Рис.35 Схематическое изображение действия кумулятивных зарядов на преграду: а – цилиндрический заряд; б – заряд ВВ с кумулятивной выемкой; в – заряд ВВ с кумулятивной выемкой, облицованной медью; 1 – преграда; 2 – заряд ВВ без кумулятивной выемки; 3 – ЭД; 4 – кумулятивные заряды; 5 – кумулятивная выемка; 6 – выемка, облицованная медью.

Рост суммарной длины канала L с увеличением расстояния x_Ф (рис.35) до преграды происходит до известного предела (см. точка на кривой 2), соответствующего фокусному расстоянию xФ, после чего начинается снижение L. Резкое падение пробивного действия при удалении заряда от преграды связано с неустойчивостью струи.

Рис.36 Зависимость глубины пробивания канала кумулятивной струей

в преграде от расстояния (б): а – схема размещения заряда; 1 – теоретическая кривая; 2 – экспериментальная кривая.

 

Элементы воронки выброса

 

Геометрические параметры и форма образуемой воронки при взрыве заряда ВВ зависят от свойств взрываемой породы. Форму воронки взрыва обычно принимают в виде конуса с вершиной в центре заряда ВВ, рис.37.

Как следует из рисунка, основными элементами воронки выброса являются:

- W – глубина заложения заряда или линия наименьшего сопротивления (ЛНС);

- r – радиус основания воронки или радиус воронки взрыва;

- 2α – угол раствора воронки.

Показатель действия взрыва определяется из выражения

n=r/W.

В зависимости от величины показателя действия взрыва различают три разновидности зарядов выброса:

- нормальный выброс, n = 1;

- уменьшенный выброс, n < 1;

- усиленный выброс, n > 1;

- заряд рыхления, воронка не образуется, n ≤ 0,7.

Заряды нормального и уменьшенного выброса применяют на карьерах для дробления скальных пород. При подземной отбойке пород, проходке выработок и строительстве сооружений применяют заряды усиленного выброса с показателем действия взрыва 2-3.

Рис. 5.4. Элементы воронки выброса.

 

При проведении экспериментов по породам (f≥12) установлено, что в качестве характеристики действия взрыва наиболее чувствительным параметром к изменению условий взрывания является глубина воронки выброса h_В, а не параметр n. При максимальном значении соотношения h_В/q_З зависимость угла раскрытия α от глубины воронки представлена на рис.38.

Рациональная длина зарядов вычисляется по формуле

l_З=3.5(h_В)^0,3·α^-0.32, м.

Глубина воронки может быть рассчитана из выражения

h_В=4,34f^1,2P_З^1,05q_З^0,63l_Ш^–0,95, м,

где P_З – показатель эффективности заряда.

 

Рис.38 Зависимость угла раскрытия воронки от ее глубины.

 

Величина разрушения межшпурового целика l_П убывает по степенной зависимости от расстояния между зарядами, а при сближении зарядов на минимально допустимые расстояния глубина полости в крепких породах достигает глубины воронки выброса одиночного заряда

l_П=0,2–0,7а⁴–0,25h_Ва+0,98h_В², м,

где а – расстояние между шпурами.

Зависимость угла раскрытия воронки выброса α от ее глубины h_В (при максимальном соотношении h_В/q_З) следует находить из следующего выражения:

α=(0,31h_В³–0,36h_В²+0,086h_В+1,04)/l_П, град.

Изменение характера действия взрыва заряда может быть достигнуто как путем уменьшения глубины заложения заряда постоянной величины (рис.39,а), так и путем увеличения массы заряда при постоянной глубине заложения (рис.39,б).

 

Взрыв одиночного заряда в грунтах

 

Грунт является трехкомпонентной средой, состоящей из твердых частиц, жидкой и газовой фаз. Наличие воздуха в порах грунта сильно влияет на условия распространения в них ударных волн. При распространении ударной волны энергия взрыва расходуется на сближение твердых частиц за счет уменьшения объема пор, при этом разогрев воздуха в ударной волне приводит к повышению температуры твердых частиц (затрачивается ~90% энергии ВВ). Зона уплотнения будет во много раз больше зоны уплотнения в слабо пористых грунтах.

Рис.39 Способы изменения характера действия взрыва на среду:

а – изменением глубины заложения заряда ВВ; б – изменением массы заряда ВВ.

 

Разрушение грунта происходит главным образом за счет запаса кинетической энергии, приобретенной средой при расширении продуктов взрыва (разрушение под действием волн напряжений в грунтах незначительны). Вокруг заряда при взрыве образуется расширяющаяся сферическая полость, заполненная газами взрыва, которая при приближении к открытой поверхности приобретает грушевидную форму, большая ось которой совпадает с ЛНС заряда, рис.40.

В водонасыщенных грунтах энергия передается преимущественно по воде. Поэтому действие взрыва в таких грунтах по своему характеру, как и при взрывах в воде, близко к гидростатическому давлению, направленному одинаково во все стороны.

В неводонасыщенных (сухих) грунтах, так же как и в твердых телах, напряженное состояние в каждой точке определяется двумя величинами – радиальным (σ_n) и тангенциальным (σ_τ)напряжениями. Характер зависимости деформации грунта ε от напряжения σ показан на рис.41.

Изменение формы полости объясняется различной сопротивляемостью перемещению участков массива. В нижней части полости расширения быстро прекращаются, в то время как размеры верхней части полости увеличиваются, уменьшая толщину слоя грунта, поднимаемого над полостью. В дальнейшем оболочка прорывается в верхней части и движение породы происходит за счет баллистического полета отдельных частиц – в грунте образуется воронка.

Рис.40. Последовательность фазы движения грунта.

Взрыв заряда в скальном монолитном массиве

Механизм разрушения скальной монолитной породы взрывом сосредоточенного заряда ВВ принципиально отличается от механизма действия взрыва в грунтах. В скальной породе вблизи заряда под действием ударной волны и высокой температуры продуктов взрыва образуется зона сильно деформированной породы, Эту область называют зоной сжатия или измельчения, рис.42.

Рис.41 Зависимость деформации грунта от напряжения:

1 – водонасыщенный грунт; 2 – неводонасыщенный грунт; 3 – кривая разгрузки после взрыва (сохраняется остаточная деформация); А – участок смены знака кривизны σ(ε).

 

Рис.42. Схема распределения трещин в породе около места взрыва:

а – зона сжатия (измельчения); б – зона разрыхления.

 

По мере удаления от заряда напряжения в волне сжатия быстро снижаются и на определенном расстоянии становятся меньше сопротивления породы раздавливанию, изменяется характер деформации, что приводит, соответственно и к изменению характера разрушения среды. Под действием прямой волны напряжений, распространяющейся от заряда ВВ, в породе в радиальном направлении возникают сильные сжимающие напряжения, а в тангенциальном – растягивающие, обеспечивающие появление радиальных трещин. В результате такого действия в породе нарушается связное строение, и она распадается на отдельные куски. Эту зону называют зоной разрыхления.

В слоях более удаленных от заряда ударная волна вырождается в упругую волну, растягивающие и тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы растяжению, связь между частица среды не нарушается – имеют место лишь колебательные смещения частиц. Разрушение породы прямым действием волны за пределами этого расстояния не происходит. Сильно сжатая порода смещается в сторону центра заряда и участки породы, прилегающие к полости, испытывают напряжения растяжения в радиальном направлении: в породе появляются кольцевые тангенциальные трещины. Эта зона называется зоной сотрясения.

Между зонами измельчения, разрыхления и сотрясения нет четких границ. Каждая из названных зон плавно переходит одна в другую и в целом эти зоны называют зоной разрушения. Радиус зоны разрушения зависит от величины заряда, параметров ВВ. Очевидно, что чем больше заряд и его мощность, тем больше радиус действия взрыва.

При взрыве заряда вблизи открытой поверхности частицы среды под

влиянием волны напряжений, достигшей этой поверхности, начинают свободно перемещаться в ее сторону, вовлекая в этот процесс все более отдаленные участки среды. Волна напряжений, дойдя до поверхности, отражается, и в массиве возникают растягивающие напряжения, рис.43. При этом волна растяжения, распространяющаяся в массив, представляет собой фронт, который распространялся бы от мнимого заряда ВВ такой же массы, но находящегося над поверхностью на расстоянии, равном ЛНС реального (взорванного) заряда.

Так как горная порода имеет в 10-30 раз меньшее сопротивление растягивающим нагрузкам по сравнению с сжимающими, то у открытой поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием трещин и формированием откольной воронки. Отраженная волна "провоцирует" процесс разрушения породы от поверхности в глубь массива. Разрушения, вызванные отраженной волной, смыкаются с разрушениями, происшедшими ранее вокруг заряда, что приводит к разрушениям всего объема породы внутри воронки.

Рис.43 Схема образования у открытой поверхности отраженной волны:

1 – реальный заряд ВВ; 2 – мнимый заряд ВВ; 3, 4 – прямые волны сжатия;

5 – отраженная волна.

 

В сторону массива породы разрушения не распространяются на заметные расстояния, поскольку волны разрежения здесь нет, и порода испытывает только всестороннее сжатие.

 

Взрыв заряда в трещиноватом скальном массиве

Особенностью разрушения трещиноватых пород является совмещение двух механизмов: под действие газов взрыва и под действием волн напряжений (разрушения распространяются от заряда ВВ и от открытой поверхности массива навстречу друг другу). При взрыве заряда в породе вокруг полости, образованной взрывом, располагается зона разрушений. Трещины являются поверхностями раздела, препятствующими распространению волн напряжений и разрушениям породы за пределами зоны, которая ограничена этими трещинами.

При пересечении трещины происходит скачкообразное падение напряжений волны, обусловленное частичным ее отражением от поверхности трещины. Качественная картина зависимости характера изменения напряжений при пересечении трещин упругой волной приведена на рис.44.

Из рис.44 видно, что напряжения снижаются более интенсивно, чем в монолитном массиве. За пределами трещин порода разрушается главным образом под действием механического соударения кусков породы (разрушенной вокруг заряда) с остальным разрушаемым объемом. Таким образом, в трещиноватом массиве породы под действием прямых и отраженных волн создается несколько зон разрушения.

Рис.44 График изменения величины напряжений на разных расстояниях

от места взрыва в трещиноватом (1) и монолитном массиве (2): I, II – плоскости трещин в массиве.

 

Некоторые закономерности взаимодействия группы зарядов

 

Взаимодействия между зарядами, как правило, изучают с использованием оптически активных и прозрачных моделей при скоростной съемке (СФР) развития процесса. Экспериментально показано, что до момента встречи волн напряжений среда вокруг каждого заряда ведет себя так, как буд-то произошел взрыв одиночного заряда, а затем возникает сложная картина интерференции волн напряжений с заметной разницей в интенсивности дробления среды по линии, соединяющей заряды, и в направлении ЛНС. При встрече волн напряжений от соседних зарядов общее напряженное состояние среды резко меняется: в направлении, перпендикулярном к линии, соединяющей соседние заряды, действуют увеличенные по сравнению с одиночным взрыванием растягивающие напряжения, вызывающие в этом направлении усиленное действие взрыва и образование магистральной трещины, рис.45. Появление трещины обусловлено растягивающими напряжениями, вызванными отраженными волнами.

В этой зоне порода подвергается наименьшему дроблению (рис.46).

В объемах породы в глубине взрываемого массива существуют зоны, в которых происходит взаимная компенсация напряжений, появляющихся в массиве от соседних зарядов, и общее ослабление напряженного состояния (рис.47). В таких зонах порода подвергается наименьшему дроблению.

Рис. 45. Взаимодействие двух сосредоточенных зарядов ВВ: 1а, 1б – заряды ВВ; 2а и 2б – прямые волны напряжений, распространяющиеся от зарядов 1а и 1б соответственно; 3а и 3б – волны, отраженные после "лобового" соударения волн сжатия 2а и 2б; 4 – магистральная трещина.

Рис. 46. Схема напряженного состояния массива при одновременном взрывании 2-х зарядов ВВ: σ=σ₁+σ₂.

 

Зоны пониженной дробимости пород (как и зоны переизмельчения) являются нежелательным результатом ведения взрывных работ. Задача максимального уменьшения размеров таких зон решается путем увеличения коэффициента сближения скважин, уменьшением диаметра скважин и разновременным взрыванием зарядов ВВ.

 

Рис.47 Схема напряженного состояния массива при одновременном взрывании 2-х зарядов ВВ: σ=σ₁–σ₂.

 

Разрушение пород короткозамедленным взрыванием

 

Короткозамедленное взрывание – это последовательное взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды. Этот способ взрывания называют иногда миллисекундным. Короткозамедленное взрывание (КЗВ) впервые было применено инженером Берлиным в 1934-1935 гг. с 1951 г. этот метод начал внедряться на карьерах. Основными факторами, определяющими эффективность короткозамедленного взрывания, являются:

- интервал замедления;

- последовательность разрушения участков массива.

Перечисленные параметры применяются в зависимости от свойств горных пород, схемы расположения зарядов и задачи взрыва. При КЗВ происходит не только взаимодействие взрывов соседних зарядов, но и смежных серий. Эффективность разрушения при КЗВ определяется следующими факторами:

- интерференцией волн напряжений от соседних зарядов (достигается при малых интервалах замедлений);

- образованием дополнительных открытых поверхностей (при средних интервалах замедлений);

- соударением разлетающихся кусков при взрыве соседних зарядов (при больших интервалах замедлений).

Перечисленные факторы являются составными элементами единого процесса взаимодействия зарядов при короткозамедленном взрывании.

Интерференция волн напряжений, рис.48, происходит в том случае, когда направления смещения частиц от предыдущего взрыва совпадают, при этом увеличиваются суммарные смещения, напряжения и интенсивность разрушения массива.

Рис. 48. Схема интерференции волн напряжений при КЗВ соседних зарядов: 1 – волна напряжений; 2 – отраженная волна; Q₁, Q₂ – заряды ВВ;

 

Волна напряжений 1 от заряда Q₁ распространяется до открытой поверхности и, отражаясь от нее, образует отраженную волну растяжения 2, которая распространяется вглубь массива, как от мнимого заряда ВВ Q₁.

1. Взрыв второго заряда Q₂ должен быть произведен в момент, когда волна растяжения 2 от первого заряда пересекает место расположения второго заряда ВВ. В этом случае облегчается действие заряда 2 и увеличивается эффект разрушения породы. Опытом установлено, что наиболее эффективное срабатывание зарядов 2 происходит в случае, когда время подрыва заряда 2 совпадет с моментом пересечения места расположения этого заряда волной растяжения, либо отличается не более чем на 0,1 мс. С увеличением числа открытых поверхностей до 2-х – 3-х, рис.49, у взрываемого заряда объем разрушения увеличивается примерно пропорционально их числу. Дробление породы сопровождается увеличением ее первоначального объема при смещении в сторону открытых поверхностей. Ширина пространства между нарушенной и ненарушенной частями массива должна быть пропорциональна ЛНС и коэффициенту разрыхления данной породы.

Необходимая ширина пространства (по экспериментальным данным) для получен6ия открытой поверхности должна быть в пределах (1/10–1/30)W.

Схема разрушения массива при образовании дополнительных поверхностей показана на рис.50. Расчетный интервал замедления в этом случае должен быть в пределах 25 – 75 мс. С увеличением крепости пород интервал замедления уменьшается.

Соударение кусков породы, перемещающихся в результате взрыва, обусловлено тем, что разные участки массива при взрыве имеют разные скорости и направления движения. При столкновении кусков происходит их дополнительное дробление. Опыт показывает, что дробление породы существенно улучшается, если траектории разлета кусков породы пересекаются под углом 90^о.

 

Рис. 49 – Схемы расположения зарядов при одной (а), двух (б) и трех (в)

открытых поверхностях: 1 – заряд взрывчатого вещества в шпуре (скважине); 2 – забойка; стрелками показаны открытые поверхности.

 

Рис. 50. Схема разрушения массива при образовании дополнительных открытых поверхностей короткозамедленным взрыванием: 1 – заряды ВВ первой очереди взрывания; 2 – заряды ВВ второй очереди взрывания.

 

При короткозамедленном взрывании процесс разрушения массива зарядами первой очереди протекает так же, как и в результате действия одиночного заряда ВВ. При взрыве группы зарядов второй и следующих очередей с малыми интервалами замедлений в массиве возникает сложная картина интерференции волн напряжений. Время, в течение которого массив находится в напряженном состоянии, увеличивается, происходит уменьшение сейсмического эффекта действия взрыва на окружающие сооружения. Одной из разновидностей способа КЗВ является взрывание с внутрискважинными миллисекундными замедлителями отдельных частей зарядов в скважинах, что позволяет увеличить импульс действия взрыва на массив. В результате этого достигаются лучшие результаты взрыва по дроблению и сейсмике.