Классификация мерзлых песчано-глинистых пород по взрываемости

Категория взрываемости. Наименование и вид пород	Температура, °С	Категория льдистости	Показатель простреливаемости, дм^3/кг	Рекомендуемый удельный расход ВВ при взрывании на рыхление, кг/м^3
Легковзрываемые
Сезонно-мерзлые и многолетнемерзлые растительного слоя, песчаные и супесчаные со степенью водонасыщения до 0,5 и выше 0,9 полной влагоемкости	0 и ниже	Сильнольдистые (содержание льда свыше 50 %)	14-35	0,4-0,6
Средневзрываемые
Сезонно-мерзлые и многолетнемерзлые растительного слоя, песчаные и супесчаные со степенью водонасыщения от 0,5 до 0,8 полной влагоемкости	То же	Льдистые (содержание льда 25-50 %)	14-35	0,6-0,8
Сезонно-мерзлые и многолетнемерзлые моренные, обломочные, гравийные с песчаным и супесчаным заполнителем	– «–	То же	11-32	0,6-0,8
Сезонно-мерзлые и многолетнемерзлые глинистые и суглинистые, а также моренные, обломочные, гравийные с глинистым заполнителем	–5 и ниже	– «–	23-55	0,6-0,8
Трудновзрываемые
Сезонно-мерзлые и многолетнемерзлые глинистые и суглинистые, моренные, обломочные, гравийные с глинистым заполнителем	0-5	Слабольдистые (содержание льда до 25 %)	35-70	0,8-1,1

В лабораторных условиях определяли прочностные характе­ристики мерзлых песчаных и глинистых пород и измеряли скорость прохождения ультразвуковых волн. При проведении экспериментов изменяли один из факторов: влажность или температуру породы, все остальные оставались постоянными.

Динамику процесса разрушения образцов взрывом изучали с помощью скоростной киносъемки. Критерием качества дробления служил средний диаметр куска. В результате обработки результатов экспериментов получена зависимость среднего диаметра куска (в миллиметрах) от влажности и температуры:

,

где W – влажность по массе, %; a, b, c – коэффициенты, зависящие от температуры породы t и условий проведения опыта.

Характер зависимости одинаков при различных температурах, однако значения коэффициентов различны:

 

t, °C	a	b	c
–2 –5,5 –7,5 –10	–4,5 –2,7 –1,9 –3,1	94,2 35,7 59,6	393,3 178,6

 

На рис.15 показано изменение среднего диаметра куска в зависимости от влажности и температуры мерзлого песка. Из графиков видно, что увеличение среднего диаметра куска происходит до определенного предела, соответствующего влажности (по массе), равной 10-12 % (при полной влагоемкости песка 14 %). С увеличением влажности до полной влагоемкости (все поры породы заполнены льдом) качество дробления возрастает, приводя к значительному снижению среднего диаметра куска.

В мерзлых песчаных породах, имеющих невысокую влажность, значительная часть энергии волн напряжений взрыва расходуется на закрытие пор и пластические деформации в ближней зоне заряда. При повышении влажности прочностные свойства породы растут, соответственно увеличивается средний диаметр куска. При влажности песка, соответствующей полной вла­гоемкости, происходит перераспределение энергии взрыва. Возрастающее участие в разрушении волн напряжений приводит к снижению d _ср, т.е. улучшает качество дробления.

Иная картина наблюдается при взрывании мерзлой глинистой породы. результаты дробления образцов мерзлого суглинка в зависимости от изменения температуры (рис.16) показывают, что средний диаметр куска уменьшается при понижении температуры. Наиболее значительное снижение среднего диаметра куска происходит при температуре минус 5-7 °С. При дальнейшем понижении температуры средний диаметр куска изменяется в меньшей степени. С понижением температуры d _ср изменяется по закону, близкому к логарифмическому.

Рис.15. Качество дробления взрывом мерзлого песка     Рис.16. Качество дробления взрывом образцов мерзлого суглинка в зависимости от температуры

Как известно, изменение прочностных характеристик мерзлых глинистых пород происходит в более широком диапазоне температур, чем в песчаных. Наиболее интенсивное изменение содержания незамерзшей воды в глинистых породах происходит при температурах от –1,5 до –7 °С. При дальнейшем понижении температуры фазовые переходы воды незначительны.

Рис.17. Качество дробления взрывом образцов мерзлого суглинка в зависимости от влажности по массе

Графики зависимости от температуры содержания незамерзшей воды в мерзлых глинистых породах и среднего диаметра куска при взрывании образцов качественно похожи, что позволяет считать льдистость основным фактором, определяющим со­противление мерзлой глинистой породы разрушению взрывом. На графиках зависимостей среднего диаметра куска (рис.17) мерзлого суглинка от влажности при различной температуре видно, что качество дробления суглинка резко отличается от качества дробления мерзлой песчаной породы: с повышением влажности средний диаметр куска суглинка уменьшается.

При анализе влияния влажности и температуры на качество дробления мерзлой глинистой породы получена корреляционная зависимость ():

d _ср = –0,32 t – 0,45 W + 20,45, (34)

где t – абсолютное значение отрицательной температуры, °С; W – влажность по массе, %.

Кроме того, необходимо ввести комплексный показатель, учитывающий влияние влажности и температуры на степень дробления мерзлой породы взрывом, а также относительную льдистость глинистого грунта:

, (35)

где W _н – влажность, обусловленная наличием незамерзшей воды, %.

С учетом формулы (35) зависимость (34) преобразуется к виду ():

.

Результаты лабораторных экспериментов были подтверждены серией взрывов скважинных зарядов в мерзлых песчаных и супесчаных породах. В качестве критерия оценки качества дробления принимался средний диаметр куска.

В результате получена зависимость для определения удельного расхода ВВ:

,

где q – показатель, учитывающий удельный расход ВВ, необходимый на преодоление сил сцепления и массы при взрывании сухого песка, q = 0,15 кг/м³; k – коэффициент, для песков и супесей k = 0,291714; W – относительная влажность мерзлого песка.

для взрывания мерзлых песчаных пород при температуре ниже 0 °С и различной влажности расчетный удельный расход ВВ следующий:

 

W, %
qn, кг/м^3	0,27	0,45	0,54	0,6	0,36

 

Мерзлые песчаные породы, имеющие влажность до 0,5 от полной влагоемкости, обладают меньшей сопротивляемостью разрушению взрывом и дробятся более равномерно. С повышением влажности от 0,5-0,8 до полной влагоемкости качество дробления снижается, средний диаметр куска возрастает. При влажности мерзлых песчаных пород, близкой к полной их влагоемкости, качество дробления увеличивается.

По результатам опытных взрывов в мерзлых глинистых породах получена зависимость удельного расхода ВВ от температуры( = 0,84):

,

где q_r – удельный расход ВВ, кг/м³; t – абсолютное значение отрицательной температуры мерзлой глины, °С.

Анализ зависимости показывает, что с понижением температуры удельный расход ВВ на дробление снижается. для взрывания мерзлых глинистых пород при различных температурах промерзания удельный расход ВВ следующий:

 

t, °С	–1	–3	–5	–7	–9	–10
qr, кг/м^3	1,1	0,9	0,8	0,7	0,65	0,6

 

В производственных условиях определяли показатель простреливаемости мерзлых песчаных и глинистых пород. Установлено, что для мерзлых пород с одинаковыми гранулометрическим составом и влажностью с понижением температуры уменьшается показатель простреливаемости. Полученные усредненные значения показателя простреливаемости приведены в классификации в качестве одного из параметров, характеризующих взрываемость мерзлых пород.

При проведении экспериментальных исследований определяли скорость продольной волны в мерзлых породах (табл.7). Установлено, что с повышением льдистости возрастают скорость распространения волн напряжений и акустическая жесткость мерзлых пород.

В классификации многолетнемерзлые и сезонно-мерзлые породы (табл.6) включены в одни и те же группы по взрываемости, в которых влажность и температура являются основными показателями.

 

Таблица 7