Дія вибуху заряду у гірській породі
Загальні положення щодо роботи вибуху
Робота вибуху виконується за рахунок потенційної енергії ВР, що виділяється під час вибуху, і визначається за формулою
А = 4190 QVC = 4190 Q„pV, (39)
Де А - робота вибуху, кдж •
С-маса заряду ВР, кг;
Qv – питома теплота вибуху до розширення газів, ккал/кг;
Р - щільність ВР заряду, кг/дм3;
V - обсяг заряду, дм3.
Потенційна енергія ВР в повному обсязі перетворюється на механічну енергію, оскільки внаслідок неповноти реакцій мають місце хімічні втрати. Механічна енергія не повністю використовується в зарядній камері, так як частина енергії газів вибуху втрачається на нагрівання середовища, а частина виноситься назовні газами вибуху, що вириваються із зарядної камери з підвищеними температурою (теплові втрати) і тиском (механічні втрати).
В залежності від умов підривання к. п. д. роботи вибуху коливається від 0,02-0,07 при вибухах на викид і до 0,15-0,25 при вибухах на розпушування.
Корисна робота вибуху може виявлятися у різних формах. Основними є: інтенсивне зминання (перетирання) породи безпосередньо прилеглої до заряду; ініціювання у породі пружних (ударних) хвиль; стиск, пластична деформація. та руйнування породи, що не прилягає безпосередньо до заряду; подрібнення частини породи та викид її за межі вирви вибуху. Всі ці форми роботи складають у сумі повну корисну роботу вибуху.
Залежно та умовами підривання одні форми роботи можуть посилюватися, інші — зменшуватися. Так, наприклад, при зниженні щільності заряджання шляхом створення повітряного прошарку між зарядом та стінками зарядної камери зменшується бризантна дія заряду та збільшується фугасна. В результаті порода дробиться рівномірніше і середнійрозмір шматків зменшується.
При необхідності у сильній бризантній дії треба застосовувати можливо більшу щільність заряджання та бризантні ВР з максимальною швидкістю детонації.
Що стосується фугасної дії вибуху, то вона, як і загальна дія вибуху, дуже мало залежить від швидкості детонації та визначається потенційною енергією ВР.
Внутрішня дія вибуху заряду
Зарядом називається певна кількість ВР, підготовлена до вибуху. Заряд називається зовнішнім, якщо він прикладений до поверхні об'єкта, що руйнується, і внутрішнім, якщо він поміщений всередині руйнується середовища.
Залежно від конфігурації заряди ділять на зосереджені та подовжені. Подовженим називається заряд із ставленням довгої стоони до короткої понад 4.
Якщо при вибуху заряду ВР у масиві породи дія його нічим не проявиться на поверхні і локалізується всередині масиву, то вона називається внутрішньою дією, або камуфлетною, а заряд називається камуфлетною зарядом.
При вибуху такого заряду в гірській породі утворюються зони витіснення, руйнування та струсу (рис. 39); іноді ще утворюється зона відколів. Процес руйнування породи йде в такий спосіб. У момент вибуху удар газів вибуху миттєво руйнує і повністю витісняє деякий шар породи, що прилягає до заряду, утворюючи порожнину, яка називається зоною витіснення, або зоною стиснення, або котлом.
Роздавлена і витіснена порода вдавлюється в стінки котла, які внаслідок цього є шаром роздавленої і ущільненої породи. Ударна хвиля, що виникла в момент вибуху, переміщається радіально в масиві породи далі за межі котла, викликаючи зміщення частинок породи в радіальному напрямку.
В результаті радіального переміщення частинок та шарів породив ній виникають зусилля розтягування і зсуву, що дають у тангенціальному напрямку. Ці зусилля викликають утворення мережі радіальних та кільцевих (переривчастих сферичних) тріщин.
Гягятщ^г v т "/■ Twr^r^pm
Мал. 39 Схема дії вибуху заряду у гірській. породі:
З - заряд до вибуху; / - Зона витіснення (котел); 2- зона руйнування; 3 - зона струсу; 4 - зона відколів; та - радіус заряду; гх - радіус зони витіснення - р - радіус зони руйнування
Таким чином, у межах зони руйнування на початку (від центру) розташовується шар безструктурної, розчавленої та ущільненої породи з частими та широкими тріщинами розривів та ковзань. Цей шар породи поступово переходить у породу, що зберегла свою структуру в окремих частинах, але також пронизану мережею радіальних і сферичних тріщин. У міру віддалення від центру тріщинуватість зменшується. Чіткої зовнішньої межі зона руйнування немає.
У міру віддалення від вогнища вибуху ударна хвиля згасає, перестає викликати руйнування породи і збуджує лише значний струс, який на деякій відстані згасає. Зона струсу не має чітко виражених внутрішньої та зовнішньої меж.
Залежно від глибини закладення заряду ознаки вибуху може бути виявлено на земної поверхні чи виявляться як слабкої сейсмічної хвилі. Якщо заряд закладено не глибоко від земної поверхні, то її може дійти ударна хвиля.
Коли ударна хвиля досягає вільної поверхні, то верхні шари породи, що не зустрічають достатнього опору попереду, починають відриватися (опір породи розриву в 10-50 разів менше опору стиску). У вільній поверхні зароджується хвиля розтягування, що йде до центру вибуху. Ударна хвиля хіба що відбивається' відвільної поверхні породи у вигляді хвилі розтягування. У міру віддалення від поверхні енергія хвилі розтягування згасає, але у поверхні відбита хвиля може створити кілька сферичних тріщин, відкол і навіть покидь породи. Отже зона відколів може виникати при сприятливих співвідношеннях між величиною заряду та глибиною закладання його.
При певному співвідношенні цих величин зона відколів може зімкнутися із зоною руйнування або настільки наблизитися до неї, що тиском газів вибуху проміжний шар породи буде роздроблений і порода повністю зруйнована від поверхні до порожнини котла. Таке явище, як і явище відколу, відноситься до зовнішнього впливу вибуху заряду.
Радіус зони стиснення г і залежить від міцності та пружних властивостей гірської породи, від величини та форми заряду, від загальної працездатності та бризантності ВР та від щільності заряджання. Відповідно до геометричного закону подібності радіус зони стиснення може бути виражений через радіус заряду
Де г3 - радіус заряду;
K - наведений радіус зони стиснення (котла), або коефіцієнт пропорційності, що враховує, вплив перерахованих вище факторів.
При підриванні зосередженого заряду тротилу або амоніту № 6 в м'яких ґрунтах (глина, суглинок, рослинна земля тощо) k\ - 4 - i-6, а при підриванні в скельних ґрунтах k\ = = 1,5-^ -2,2.
У разі використання інших ВР коефіцієнт пропорційності визначається за формулою
Де рт і рх - щільність ВР відповідно тротилу (1,5 кг/дм3) та застосованого ВР;
QT і Qx - теплота вибуху відповідно тротилу (1000 ккал/кг) та застосованого ВР.
При підриванні подовжених циліндричних ізарядів (/3 6*4) котли виходять також. циліндричної форми; радіус зони стиснення в цьомуу разі розраховується також за формулою (40). Значення коефіцієнта пропорційності підривання тротилом і амонітом № 6 приймається 10-15 в м'яких грунтах і 1,7-3 в скельних породах. При використанні інших ВР перерахунок значень коефіцієнта здійснюється за формулою
Довжина циліндричного котла перевищує довжину заряду на 3-4 діаметри останнього.
При відносній довжині заряду - г = 6 енергія вибуху, дейст-
Вує на стінки шпуру або свердловини проти центру заряду, становить 90% максимальної величини енергії, яка діяла б у цьому місці при нескінченно довгому заряді. При
Зменшення відносної довжини заряду 6 розсіювання енер-
Гії у торців заряду збільшується і радіус котла зменшується.
Ефект котлоутворення широко використовується при буровибухових роботах для розширення донної частини шпурів і свердловин з метою підвищення їх ємності. Котли в цих випадках утворюють підриванням невеликих зарядів ВР, що розміщуються на дно шпуру або свердловини (цей процес називають прострілюванням шпурів).
Ефект котлоутворення застосовують також при проходці, глибоких колодязів та невеликих стволів у м'яких породах. Як приклад можна навести прохідку ствола на Юрківському буро-вугільному кар'єрі. Ствол глибиною 54 м і діаметром 5,2 м був пройдений шляхом витіснення і ущільнення ґрунтів при внутрішній дії вибуху заряду в пробуреній свердловині. У районі шахти № 6 тресту Черепетьвугілля шурф діаметром 3—3,5 м було пройдено внаслідок вибуху заряду у свердловині діаметром 300 мм Д глибиною 46 м.
При дослідному застосуванні методу витіснення для проходки стовбурів у пісковиках та глинистих сланцях було отримано негативний результат. При підриванні зарядів ВР у свердловинах діаметром 100—250 мм і глибиною від 40 до 100 м отрималикоефіцієнт розширення 3-8 [8].
Ефект руйнування гірських порід при внутрішній дії заряду ВР використовується при торпедуванні нафтових свердловин для посилення віддачі нафти, при торпедуванні шпурів та свердловин у вугільних шахтах для посилення дегазації пластів та попередження раптових викидів тощо.
Радіус зони руйнування
Де k2 - наведений радіус зони руйнування (виражений через радіус заряду), або коефіцієнт пропорційно - . сті. При підриванні подовжених циліндричних зарядів у скельних породах k2 = 12-г-20.
При підриванні зосереджених у рядів у м'яких ґрунтах приймають
Де WB — така глибина закладення даного заряду, коли вибух його утворює нормальну вирву викиду.
Зовнішня дія вибуху заряду
При вибуху заряду, закладеного такій відстані від земної поверхні, що його проявляється у ньому, процеси руйнації гірської породи протікають так.
У момент вибуху удар газів утворює казан (зону витіснення). Радіус котла за інших рівних умов у перший момент освіти буде такий самий, як і при вибуху комуфлетного заряду (пізніше, при загальному переміщенні породи, він деформується у бік оголеної поверхні). Це тим, що котел утворюється ударом першого імпульсу ударної (детонаційної) хвилі. Повторні (відбиті) імпульси удару газів не можуть збільшити котел, тому що вони, як показують безпосередні виміри в шпурах [14], у 2-4 рази слабше, крім того, обсяг зарядної камери вже збільшився до об'єму котла і стінки його ущільнені.
Перший імпульс, що утворив котел, збуджує потужну ударну хвилю, яка, проходячи по породі, викликає усунення середовища та утворення тріщин, про що вище було сказано. У міру виникнення у породі тріщинв них проникають газоподібні продукти вибуху, що знаходяться під великим тиском, з тією ж швидкістю, з якою ці тріщини утворюються (швидкість утворення тріщин 200-1500 м/с). Гази вибуху, давлячи на стінки котла і поверхні тріщин, тримають породу в напруженому стані, розширюють і подовжують тріщини в напрямку оголеної поверхні і проривають товщу порід, ослаблену відколами і тріщинами, що йдуть з поверхні породи і викликаною ударною хвилею.
Залежно від величини заряду і глибини закладення вибухом може бути утворена вирва розпушування, або ворон - :Ка викиду. У першому випадку вся зруйнована порода залишається в межах лійки, у другому випадку порода не тільки руйнується, а й викидається за межі лійки (рис. 40).