Действие взрыва в массиве горных пород

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.