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.