автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Методы расчета свойств разрушенной горной массы и регулирование параметров развала при ведении взрывных работ

Национальный научный центр горного производства -Институт горного дела им. А.А.Скочинского

На правах рукописи

ЦИРЕЛЬ Сергей Вадимович

УДК 622.235 + 624.131

МЕТОДЫ РАСЧЕТА СВОЙСТВ РАЗРУШЕННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗВАЛА ПРИ ВЕДЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

05.15.11 - Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте горного дела им.А.А.Скочинского и Санкт-Петербургском государственном горном институте.

Научный консультант — академик РАН Е.И.Шемякин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.А.Спивак (Институт динамики геосфер РАН)

доктор технических наук, профессор

С.Е.Чирков (Институт горного дела им. А.А.Скочинского) доктор технических наук, профессор

С.Д.Викторов (Институт проблем комплексного освоения недр) Ведущая организация — Московский государственный горный университет

Защита диссертации состоится "'/(?" (¿40 Ч.Я 1998 г. в /0часов на заседании Специализированного Ученого Совета Д 135.05.03 при Институте горного дела им.А.А.Скочинского по адресу: 140004, г.Люберцы Московской обл., ИГД им. А.А.Скочинского.

С дигг<"-~ можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИГД

«и. А.А.Скочинского.

Автореферат разослан "30' 1998 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета проф., докт. техн. наук

Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основная цель применения взрывных работ в горном деле и строительстве состоит в рыхлении скальных и полускальных массивов. Соответственно результаты взрыва в первую очередь характеризуются качеством дробления, формой и структурой (коэффициентом разрыхления) разрушенной породы. Наибольшее внимание обычно уделяется среднему размеру осколков и гранулометрическому составу взорванного массива, при этом ввиду чрезвычайной сложности процессов динамического разрушения горных пород расчеты данных параметров в основном ведутся эмпирическими методами. Достигнутые в последние годы успехи в изучении структуры и механических свойств горного массива дают возможности глубже рассмотреть процессы взрывного дробления. Однако новые представления о горном массиве находятся в стадии становления и пока не позволяют проводить полный расчет процессов разрушения. Поэтому является актуальной задача разработки новых методик вычисления среднего размера осколков и их гранулометрического состава, учитывающих как новые теоретические подходы, так и накопленный опыт горных работ.

Существенно меньше работ посвящено форме и структуре развала горной массы, также оказывающим существенное влияние на производительность выемочно-транспортного оборудования. Знание коэффициентов разрыхления необходимо при расчетах целого ряда технологических процессов горного дела и строительства -выбор параметров БВР при бестранстранспортной системе разработки с взры-водоставкой вскрышных пород в выработанное пространство; строительство насыпей, набросных и взрывонабросных плотин; магазинирование и выпуск руды; выбор гранулометрического состава наполнителей для тяжелых беюнов и закладочных материалов и т.д. Для составления методик расчета параметров развала взорванной массы требуются вычисления не только конечного разрыхления, но и промежуточных состояний разрушенной породы. Эмпирические методы, принятые в горном деле и строительстве, не могут охватить всех встречающихся на практике гранулометрических составов разрушенных и сыпучих пород при различном качестве смешения фракций и не позволяют изучать процессы разуплотнения взорванной массы. Механика сыпучих сред использует главным образом либо континуальные модели, неприменимые для расчетов коэффициентов разрыхления, либо дискретные модели, представляющие собой случайные упаковки правильных фигур, свойства которых не только количественно, но и качественно отличаются от свойств разрушенных горных пород, состоящих из кусков неправильных форм с размерами, изменяющимися в диапазоне 2-3 и более порядков. Поэтому необходима разработка новых подходов к изучению формы п структуры развала взорванной массы и расчету плотности разрушенных и сыпучих пород, опирающихся на экспериментальные результатыи позволяющих их распространить на материалы с произвольным гранулометрическим составом и любым качеством смешения фракций.

Цель работы и объект исследований. Основной целью работы является разработка методов расчета для решения комплекса задач, связанных со свойствами разрушенных горных пород. Объектом исследований являются разрушенные взрывом и сыпучие породы и, более широко, материалы различного гранулометрического состава, состоящие из частиц неправильных форм. В соответствии с выбранным объектом и с поставленной целью исследований решались следующие задачи.

1. Установление характеристик поля напряжений, определяющих дробящее действие взрыва в горных породах и анализ влияния масштабного фактора, формы заряда, свойств ВВ и расстояния до свободной поверхности на дробящее и разрушающее действие взрыва.

2. Установление причин примерного постоянства параметров формы распределения осколков раздробленной породы по размерам и возможностей регулирования однородности дробления.

3. Разработка методов расчета средних размеров осколков и гранулометрического состава горной массы при различных параметрах ведения буровзрывных работ.

4. Разработка методов расчета плотности разрушенных и сыпучих пород, учитывающих их гранулометрический состав и качество смешения фракщш.

5. Разработка методов расчета разрыхления горной массы в емкостях различных форм и размеров.

6. Оценка влияния гранулометрического состава на деформационные свойства разрушенных пород при вибрации и сжатии.

7. Изучение процесса разуплотнения взорванной породы при сдвижении и структуры развала раздробленной массы.

8. Разработка методов расчета скоростей сдвижения взорванной породы при многорядном взрывании.

9. Разработка методов расчета формы развала взорванной породы и способов повышения эффективности взрыводоставки вскрышных пород при бестранспортной системе разработки.

Основная идея работы. Однородность гранулометрического состава разрушенных горных пород зависит от соотношения объемного (деления на сравнимые по размеру куски) и поверхностного (отделения малых фрагментов) дробления и определяет их геометрические и кинематические характеристики - плотность в свободном состоянии и в емкостях, механизм деформации при различных воздействиях и характер разрыхления при взрывной отбойке. Защищаемые научные положения.

1. Дробление горной породы при динамическом нагружении может быть описано как вязкий диссипативный процесс, а локальное дробящее действие определяется соотношением — = <1 к[т е\, где £),с1 - средние размеры блоков до и после дробления; е\ - интеграл от квадратичной формы главных скоростей

деформации по времени действия напряжений; к¡г - характеристика прочности. При разрушении горных пород взрывом соотношение между диаметрами зарядов ¿3, определяющими скорости деформации, и размерами неоднороднос.тей в массиве обуславливает различные проявления масштабного эффекта дробления - <1 ~ д/^З, й ~ с?з или (1 ~ Т).

2. Характер распределения кусков по размеру в разрушенной массе определяется отношением К размеров исходного объема и отколовшихся кусков, при этом малые значения К отвечают объемному разрушению, характеризующемуся развитием магистральных трещин, а большие - поверхностному; граница между ними определяется значением концентрационного критерия разрушения К*. Логарифмическое стандартное отклонение /3 распределения кусков по размерам по мере увеличения интенсивности дробления возрастает, устремляясь к предельному значению ¡3, зависящему от К и показателя степени тп, характеризующего масштабную зависимость прочности.

3. При разрушении конечных объемов или сред блочной структуры и возможности сдвижения раздробленной массы, в ней содержится, по крайней мере, две совокупности, имеющие различные логарифмические дисперсии, причем в области более крупных размеров кусков преобладает совокупность, отвечающая объемному разрушению, со значением (3 ~ (3 ~1, а в области менее крупных - совокупность, отвечающая поверхностному разрушению, со значением /3 ~ 3-4. Такая структура гранулометрического состава характерна для разрушения горных пород взрывом вблизи свободной поверхности, а также при малой степени дробления для разрушения свободным ударом, в дробилках различного типа и при обрушении горных выработок.

4. При взрыве вблизи свободной поверхности объемное разрушение производится, в основном, волнами напряжений, а действие продуктов взрыва определяет, главным образом, поверхностное разрушение и реализацию естественных и наведенных взрывом трещин в виде разрушенной массы. Существенные изменения однородности дробления возможны лишь для второй совокупности и могут быть достигнуты путем перераспределения энергии ВВ между волнами напряжений и действием продуктов взрыва.

5. Плотность сыпучих и разрушенных материалов зависит от гранулометрического состава и качества перемешивания различных фракций, причем влияние гранулометрического состава определяется показателем однородности дробления п, введенной новой характеристикой, вычисляемой с помощью функции распределения кусков по размерам. При сжатии раздробленной породы для высоких значений П основным механизмом деформирования является разрушение кусков, а при малых п - переупаковка кусков.

6. Характер зависимости коэффициента разрыхления от размеров емкости определяется значением показателя однородности дробления. Разрыхление горной

массы с большими значениями п существенно увеличивается с уменьшением размера емкости; разрыхление горной иассы с малыми значениями п за исключением совсем малых емкостей, для которых существенны случайные вариации гранулометрического состава, практически не зависит от размеров емкости.

7. Начальный этап разуплотнения взорванной породы определяется дилатан-сией; характер дилатансионной кривой зависит от содержания мелких фракций: для малого их содержания характерно резкое снижение плотности при сдвиге 7 ~ 0.02 - 0.1, а для высокого - снижение плотности носит более плавный характер.

8. При сдвижении взорванной породы нарастание скорости свободной поверхности (откоса уступа) до максимума состоит из серии скачкообразных изменений. Из-за случайного характера распределения кусков в раздробленной породе максимальная скорость имеет случайную составляющую, достигающую 10-15%, а длительность периода нарастания скорости варьирует в 2 - 3 раза.

9. Форма развала взорванной породы существенно зависит от интервалов замедления между группами зарядов, как за счет влияния формирующегося развала на движение кусков, особенно заметного при больших интервалах замедления, так и за счет подталкивания передних и торможения задних слоев породы, особенно заметных при малых интервалах. Их совокупное действие определяет существование наборов интервалов замедления, обеспечивающих максимальное смещение взорванной породы.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили разработать новые подходы к расчету характеристик взорванной горной массы, основанные на предложенных в диссертационной работе моделях процесса взрывного дробления горного массива и структуры разрушенных и сыпучих пород. Научная новизна полученных результатов прежде всего состоит в следующем:

- установлены причины примерного постоянства и разработаны методы расчета параметров формы распределения размеров осколков, а также принципы и пределы возможностей регулирования этих параметров;

- на основе представления о дроблении как о вязком диссипативном процессе предложен новый параметр поля напряжений, характеризующий локальное дробящее действие динамической нагрузки в неоднородной среде;

- предложена новая характеристика разрушенных и сыпучих пород, показатель однородности дробления, определяющая их плотность в свободном состоянии и в емкостях различных форм и размеров;

- исследованы механизмы деформации разрушенных пород при вибрации и сжатии;

- показано, что основным механизмом разуплотнения взорванных пород является дплатансия, рассчитаны кривые дилатансионного разуплотнения разрушенных пород различного гранулометрического состава;

- показано, скорость сдвижения взорванной пород имеет случайную составляющую, определяемую случайным характером распределения кусков при дроблении;

- установлен характер влияния интервалов замедления между группами зарядов ВВ на форму развала разрушенной породы;

- разработана методика прогнозирования формы развала при многорядном взрывании.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований был разработан ряд расчетных методик, предназначенных для использования при проектирования взрывных работ в горном деле и строительстве, в том числе сравнения дробящего действия зарядов ВВ различных конструкций, выбора схем взрывания и коэффициента сближения скважин Методика выбора схем взрывания была внедрена с положительным экономическим эффектом на разрезах ПО " Экибастузуголь". Для регулирования дробления предложены и испытаны в полигонно-производственных условиях несколько новых составов суспензионных ВВВ местного приготовления плотностью от 0.2 до 1.5 г/см3; разработаны новые конструкции зарядов ВВ для открытых горных работ и шахт, опасных по взрыву газа и пыли, на которые получены патенты. Разработана методика расчета плотности сыпучих и разрушенных материалов в емкостях любых форм и размеров, учитывающая гранулометрический состав, форму частиц и качество смешения фракций. Предложен метод управления формой развала взорванной породы с помощью интервалов замедления между рядами скважин; применение данного метода на разрезе "Октябрьский" ПО "Эстонсланец" позволило без повышения расхода ВВ увеличить в 1.5 раза объем сброса взорванной породы в выработанное пространство.

Достоверность результатов. Достоверность полученных зависимостей, выводов и рекомендаций определяется соответствием результатов расчетов по предлагаемым методикам натурным данным в широком диапазоне изменения условий опытов; использованием стандартных методов вычислительной математики и математической статистики; проверкой полученных аналитических зависимостей с помощью численного моделирования.

Апробация работы и публикации. Основное содержание работы докладывалось на семинарах РАН по геомеханике (Москва, 1993, 1997), Института динамики геосфер (1994, 1996), кафедры волновой и газовой динамики математико-механического факультета МГУ (1997), Института горного дела им. А.А.Скочин-ского (1994,1997), Московского горного университета (1995), Санкт-Петербургского горного института (1993). Отдельные результаты работы были представлены на семи всесоюзных (всероссийских) и четырех международных конференциях, изложены в 27 опубликованных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 363 страницы машинописного текста, в т.ч. 14 таблиц, 72 иллюстрации и список литературы из 459 наименований.

Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Скочинского к Санкт-Петербургском горном институте, ряд экспериментов был проведен на разрезах ГП " Эстонсланец" и ПО " Экибастузуголь".

Автор выражает сердечную признательность прежде всего научную консультанту академику РАН Е.И.Шемякину за постоянное внимание и всестороннюю помощь, без которых не могла бы состояться настоящая работа. Автор многим обязан к.т.н. О.Н.Либерцеву, в тесном сотрудничестве с которым проводились экспериментальные работы на разрезах ПО "Эстонсланец" и разрабатывались первые подходы к прогнозированию формы развала. Автор искренне благодарен М.Э.Альтементу и к.ф.-м.н. А.Б.Лаптеву, принимавшим участие в отладке программы расчета формы развала. Проведение экспериментальных работ на разрезах ПО " Экибастузуголь" было бы невозможно без помощи работников объединения Ю.Г.Балабановского, В.Ф.Гашкова и Л.А.Турбина, Автор признателен также проф. В.А.Боровикову, к.т.н. И.Ф.Ванягину, к.ф.-м.н. И.Ф.Жарикову, доц. В.П.Макарьеву , проф. М.Г.Мепжулину, проф. В.Ф.Писа-ренко, проф. С.В.Ржевской, к.ф.-м.н. Л.Э.Рикенглазу, проф. В.Н.Родионову и д.ф.-м.н. А.А.Спиваку за полезные обсуждения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе проведен краткий обзор литературы и сформулированы цели и задачи исследований.

Один из основных объектов, с которым имеет дело горная и строительная промышленность, это разрушенные и сыпучие горные породы. Именно с ними производятся важнейшие технологические операции - выемка, выпуск, транспортирование, магазинирование, складирование, отвалообразование, дробление на обогатительных фабриках и т.д. Процессы, в результате которых образуются разрушенная горная масса, различны: у мягких сыпучих пород - это разрушение при естественных геологических процессах, у пород малой крепости - механическое разрушение с помощью комбайнов, проходческих комплексов, роторных экскаваторов и т.д.; у полускальных и скальных пород главным способом подготовки к выемке являются буровзрывные работы. Можно перечислить целый ряд важных характеристик разрушенной горной массы, но основное значение в горном деле имеют средний размер осколков, гранулометрический состав, плотность (коэффициент разрыхления), форма и структура развала разрушенных пород, подлежащих выемке. Все эти характеристики имеют самостоятельное значение для технологических процессов, поэтому нельзя указать одно единственное число, характеризующее горную массу. По мнению академика В.В.Ржевского среди них особую роль играет коэффициент разрыхления (отношение объема породы в разрушенном состоянии к ее объему в плотном теле), который зависит от крупности дробления и гранулометрического состава и влияет на производительность всех технологических операций.

Обычно проблемы расчета характеристик разрушенной горной массы не рассматриваются совместно, поэтому изучению физических процессов, определяющих значения каждой из этих характеристик, и разработке расчетных методов для их

оценки посвящена своя отдельная литература, включающая большое количество экспериментальных и теоретических работ. В то же время внимание исследователей неравномерно распределялось между различными характеристиками. Наибольший интерес у ученых различных специальностей (горных инженеров, геофизиков, механиков) вызывают процессы разрушения, поэтому наибольшее количество работ посвящено оценкам размеров зон разрушения при взрыве в горном массиве, среднего размера осколков и гранулометрического состава взорванной массы. Меньшее количество работ посвящено методам расчета формы развала взорванной массы и эффективности направленных взрывов; и на последнем месте по количеству работ находятся исследования плотности и структуры развала, а также коэффициентов разрыхления разрушенной горной массы в свободном состоянии и в емкостях различных форм и размеров.

Однако, несмотря на пристальное внимание к вопросам разрушения горных пород, до сих не выработано общепринятых подходов к расчету основных свойств взорванной горной массы. Причины такого положения, на наш взгляд, заключаются в чрезвычайно сложной и нерегулярной структуре горного массива, а также существенными различиями механизмов дробления горных пород и однородных материалов. В рамках преобладающих в теоретических исследованиях 60ыг годов представлений о горном массиве как о непрерывной среде решение задач, связанных с дроблением, было весьма затруднительно. Поэтому в горном деле широкое распространение получили представления о разрушении горного массива в основном по заранее содержащимся в нем системам трещин (Л.И.Барон, Г.П.Личели, В.К.Рубцов, Б.Н.Кутузов, Н.У.Турута, Н.Н.Фадеенков, Э.И.Ефремов и другие). Однако к эти, более адекватные механике процесса, взгляды носили несколько упрощенный характер, в частности в рамках данных подходов уделялось недостаточное внимание роли возникающих при взрыве полей напряжений.

Начавшийся в 70ь,е годы общий пересмотр представлений о геофизической среде и широкие исследования ее структуры, проведенные в 80ые — 90ые годы, позволили углубить эти представления. В первую очередь речь идет о иерархической структуре горного массива (М.А. Садовский, В.Ф. Писаренко, Л. Г. Болховитинов, Е. И. Шемякин, Г. А. Соболев, X. О. Асатрян, М. В. Курленя, В. Н. Опарин), роли накопления микротрещин п ступенчатом характере разрушения (С. Н. Жур-ков, В. С. Куксенко, В. А. Петров, Н. Г. Томилин), самоподобном и фрактальном строении горного массива (И. С. Чаленко, Р. Г. Окубо, Г. С. Кинг, В. Ф. Писаренко, В. Н. Родионов, Г. Г. Кочарян), нелинейных особенностях поведения среды, содержащей неоднородности (А. В. Николаев, В. Н. Родионов, И. А. Сизов, В. М. Цветков, О. Г. Шамина), локализации необратимых деформаций, проскальзывании по площадкам разрушения и дилатансионном разупрочнении (Е. И. Шемякин, А. Ф. Ревуженко, В. Н. Николаевский, А. В. Михалюк), статистическом характере участия сдвига и растяжения в деформировании и разрушении горных пород

(А. Н. Ставрогин, Б. Г. Тарасов) остаточной прочности и энергообмене при разрушении (А.Н. Ставрогин, Б. Г. Тарасов, А. Г. Протосеня, Е. В. Лодус, Е. И. Шемякин, А. Ф. Ревуженко), предразрушешш и залечивании микротреншн (В. Е. Александров, С. И. Мультанов, А. Н. Кочанов, Е. И. Шемякин, А. В. Михалюк, М. Г. Зиль-бершмидт, М. Г. Менжулин). Этот список открытый и классификация подходов весьма условна, ибо новые представления о геофизической среде находятся в стадии становления и полный расчет всего процесса формирования горной массы на сегодняшний день невозможен. Тем не менее имеющиеся теоретические представления и накопленный опыт эмпирических исследований в горном деле и строительстве позволяют, на наш взгляд, не рассматривая все детали процессов, разработать методики расчета основных характеристик взорванной горной массы.

Таким образом, основной целью диссертационной работы является разработка методов расчета для решения комплекса задач, связанных со свойствами горной массы и формированием развала взорванной породы. Решение этой проблемы включает следующие задачи.

1. Установление характеристик поля напряжений, определяющих дробящее действие взрыва в горных породах и анаши влияния масштабного фактора, формы заряда, свойств ВВ и расстояния до свободной поверхности на дробящее и разрушающее действие взрыва.

2. Установление причин примерного постоянства параметров формы распределения осколков раздробленной породы по размерам и возможностей регулирования однородности дробления.

3. Разработка методов расчета средних размеров осколков и гранулометрического состава горной массы при различных параметрах ведения буровзрывных работ.

4. Разработка методов расчета плотности разрушенных и сыпучих пород, учитывающих их гранулометрический состав и качество смешения фракций.

5. Разработка методов расчета разрыхления горной массы в емкостях различных форм и размеров.

6. Оценка влияния гранулометрического состава на деформационные свойства разрушенных пород при вибрации и сжатии.

7. Изучение процесса разуплотнения взорванной породы при сдвижении и структуры развала раздробленной массы.

8. Разработка методов расчета скоростей сдвижения взорванной породы при многорядном взрывании.

9. Разработка методов расчета формы развала взорванной породы и способов повышения эффективности взрыводоставки вскрышных пород при бестранспортной системе разработки.

Перечисленные задачи объединены общей целью, но существенно различаются как по подходам к их решению, так и используемым моделям горного массива. Предлагаемые в диссертационной работе методики расчетов связаны с современными представлениями о свойствах геофизической среды и о строении блочного горного

массива. В связи с важной ролью проявлений дискретности горного массива при процессах разрушения, нерегулярностью его строения и большим разбросом значений параметров структуры массива в естественном и особенно в разрушенном состоянии, значительная часть методик опирается вероятностно-геометрические подходы.

Другая важная задача настоящей работы заключается в обобщении данных о методах расчета основных свойств разрушенной горной массы. К настоящему времени не существует обобщающих работ на данную тему; конечно, нельзя говорить, что нет книг, где сведения об этих вопросах были собраны под единой обложкой, прежде всего следует отметить книги В.В.Ржевского и Г.Я.Новика "Физика горных пород", Л .И.Барона " Горнотехническое породоведение"," Справочник. Открытые горные работам", а также учебники по открытым горным работам п взрывному делу. Однако эти книги посвящены гораздо более широкому кругу вопросов, и в силу своего учебного или справочного характера в основном перечисляют основные результаты, достигнутые ко времени их написания, и не вдаются в детали физических процессов методик расчета этих характеристик.

Вторая глава посвящена разработке методов расчета среднего размера осколков и гранулометрического состава взорванной горной массы.

Ввиду того, что словам "разрушение" и "дробление" часто придается различный смысл, оговорим, что под разрушением будет пониматься явное нарушение сплошности объекта, а под дроблением - множественное трещинообразование, пусть даже не доведенное до конца. Таким образом, оконное стекло, разбитое на два куска, является разрушенным, но не раздробленным, а триплекс, покрытый сетью трещин, - раздробленным, но не разрушенным; оконное стекло, разбитое на мелкие осколки, - и разрушенным и раздробленным. В этом смысле блочный горный массив является раздробленным, но не разрушенным. Конечно, нельзя сказать точно, начиная с какого количества осколков - двух, трех, четырех и т.д. -разрушение переходит в дробление, но в большинстве ситуаций их можно различить.

Существование четко выраженного геометрического подобия волн напряжений и приближенного геометрического подобия размеров зон действия позволяет для теоретических оценок зон разрушения использовать простые критерии типа критической скорости смещения, критической деформации или динамических пределов прочности, получаемых домножением статических на коэффициенты динамичности. Однако для практических расчетов точность этих оценок недостаточна, ибо пределы прочности существенно зависят от напряженного состояния, а значения коэффициентов динамичности, полученные различными авторами, различаются в несколько раз. Поэтому в дальнейшем оценки зон разрушения производились с помощью "обратного пересчета" - по фактическим разрушениям и расчетным значениям напряжений определялись условные пределы прочности, и с их помощью проверялась возможность использования других параметров взрывных работ.

Много сложнее обстоит дело с оценками степени дробления (г/г = (Р/(1е -отношение средних размеров блоков в массиве и разрушенной массе) внутри зон разрушения. Для того, чтобы критерий дробления мог использоваться для инженерных расчетов, он должен учитывать целый ряд экспериментальных фактов, связанных с масштабным эффектом дробления (в разных условиях средний размер осколков (1е пропорционален диаметру заряда ¿3, -у/^З или асимптотически приближается к предельному значению); зональностью дробления (для сферического заряда вне зависимости от масштаба (1е ~ г2'3-2"5, где г - расстояние до центра заряда); характером движения фронта разрушения (в самой ближней зоне фронт разрушения практически совпадает с фронтом волны, затем резко отстает от него и движется сперва с медленно, а потом с быстро убывающей скоростью); сложной зависимостью степени дробления от длительности воздействия и бризантности заряда ВВ (есть убедительные свидетельства увеличения степени дробления как с увеличением длительности воздействия, так и бризантности заряда) и, наконец, накоплением дробящего действия (хотя отнюдь и нелинейным).

Существующие методы расчета среднего размера осколков при взрывном разрушении можно разделить на три группы. К первой группе отнесем эмпирические формулы, в основе которых лежат корреляционные связи между параметрами БВР, характеристиками взрываемой горной породы и <1е; формула такого типа используется в известной компьютерной методике прогнозирования результатов взрыва КГО-ЯАМ. Эти формулы, естественно, не претендуют на соответствие всем перечисленным выше закономерностям, но дают возможность получить численную оценку йе в конкретных горно-геологических условиях.

Ко второй группе отнесем полуэмпирические методы, опирающиеся с одной стороны на общие закономерности (чаще всего законы дробления), а с другой - на опыт ведения взрывных работ на одном месторождении или группе месторождений. К этой группе относятся формулы В.П.Макарьева и В.А.Падукова, Н.Я.Репина, А.П.Андриевского и Б.Н.Кутузова, И.Ф.Оксанича и П.С.Миронова В.А.Безматерных и другие. Наиболее удачной из них нам представляется формула Н.Я.Репина, опирающаяся на закон Реттингера. Данная формула учитывает строение породы и масштабный эффект дробления (большую часть вариантов его проявления), но не принимает во внимание форму нагружающего импульса, кратность воздействия, и, естественно, не может применяться для качественно других условий взрывания, чем при тех 80 промышленных взрывах, которые использовались для установления эмпирических коэффициентов. Примерно такими же достоинствами и недостатками обладают и другие методики расчета <1е из этой группы.

К третьей группе отнесем теоретические методики, учитывающие механизм дробящего действия взрыва и характеристики взрывного нагружения. Наиболее разработанных и физически обоснованными из них на наш взгляд являются критерии О.Е.Власова В.М.Кузнецова, Н.Н.Казакова, В.М.Цветкова и Л.С.Евтерева,

Д.Гради, П.Кацабаниса. Однако и эти методики не охватывают всех перечисленных выше закономерностей дробления. В частности предложенные в последнее время критерии В.М.Цветкова и Л.С.Евтерева точно описывают зависимость йе от расстояния до заряда, но не учитывают масштабного эффекта, который приходится вводить в них искусственно. Расчеты, проведенные П.Кацабанисом для цилиндрических зарядов около свободной поверхности, в большей степени характеризуют вероятность появления трещин, чем их густоту.

Критерии, известные в механике разрушения, обычно относятся либо к развитию одиночной трещины, либо оценивают степень разрушения без указания на размеры кусков. Оценки размеров осколков, используемые при изучении разрушения оболочек зарядов (А.Г.Иванов, Л.А.Глен, Д.Гради, М.Кипп) не учитывают макроструктуры горного массива а также требуют более подробной информации о прочностных характеристиках среды и напряженно-деформированном состоянии (НДС), чем та, которую можно получить при взрыве в горном массиве. Впрочем, очевидно, что такому списку закономерностей не может удовлетворить никакая простая характеристика НДС.

Поэтому построим новую характеристику НДС, в максимальной степени удовлетворяющую данным закономерностям. Масштабный эффект дробления и зависимость г¡г от времени воздействия указывают на влияние скорости деформации. Подобное явление известно при быстром освобождении образца от нагрузки - степень дробления тем сильнее, чем больше исходная деформация и чем выше скорость снятия нагрузки. Предлагается два способа введения характеристики дробления.

1. Примем, что дробление — это вязкий диссипативный процесс и затраты энергии на дробление, определяются известной диссипативной функцией для линейно-вязкой среды:

Ех = Е[ + Е[дй =

= fT|(¿l+¿2+¿3)2dt+f|[(¿1-¿2)2 + (e2-¿3f + (e1-¿3f} Л, (1) о о

где Е\ - характеристика дробления; Е\ - характеризует сброс объемной деформации; Е{д" - характеризует сдвиговые деформации; £,■ - главные скорости деформации; т - длительность действия напряжений.

В работе И.В.Белинского, А.В.Михашока и Б.Д.Христофорова установлено, что в очень широком диапазоне изменения времени действия нагрузок t =1СР6-т-1018 с вязкость ¡1 пропорциональна ему. Анализ этих данных показывает, что линейность сохраняется и при замене t на размер структурных элементов. Тогда, чем больше структурные элементы, тем больше диссипация энергии и тем меньшая энергия необходима для прорастания трещин между ними. Исходя из этих представлений можно определить средний размер осколков

t I

kpJ(¿i+ег+ез)2 dt + ксдв j [(¿i-e2)2 + (¿я-ёз)2 + (¿i-ёз)2] dt

Ei=l

о

E2 = ks (1-1) =vEu

где ks - поверхностная энергоемкость разрушения; I - размер структурных элементов; L - расстояние между ними.

2. В книге В.Н.Родионова, И.А.Сизова и В.М.Цветкова "Основы геомеханики" предложена уравнение, описывающие избыточные напряжения Дет;, возникающие на неоднородностях размером I:

d . о. Д<7;

-Д a^pch-v — (3)

соответственно при £ — const: До"; = p<?Sjj |l — exp > а при t

1-1

Д<Tj = рс£у, где v - скорость релаксации. Полагая, что именно энергия избыточных напряжений определяет дробление, получаем

. /1 1\ О Г -2 I kvt\ ft (kvr\ К I---s- I = nnr I F PYn I--I I pun I- I

L d'

= Vpc2 Ц ¿2 exp (- Щ fo exp dt dr, (4)

По данным В.Н.Родионова и И.А.Сизова к = L/1 «6-10. При ^ |г формула (3) описывает линейно-вязкую среду, тогда, если учесть сброс объемной деформации, (4) переходит в (2), и различия между двумя способами введения Е\ исчезают.

Одна из возможных интерпретаций природы возникновения избыточных напряжений заключается в действии волн, отраженных от трещин. Деформации и разрушения, вызванные этими волнами, происходят с некоторой задержкой, определяемой формой и длиной падающей волны, что может восприниматься как проявление вязкости (В.С.Никифоровский, Е.И.Шемякин). Можно показать, что при нормальном падении волны на трещину и постоянстве (е = const) амплитуда фазы растяжения отраженной волны составляет:

И РСЧ2С{РХКРС>) i1 - еХР И0(РЗС1ЖРС2) Ш ■ (5)

Если отождествить Ij-/ (2С (p^cjj/и l/v, то выражение (5) полностью аналогично решению (3) при S = const. При косом падении волны на трещину под небольшими углами характер зависимости сгт от £ и Тн сохраняется, хотя амплитуда фазы растяжения меньше; при больших углах (например, для трещины в граните, заполненной водой, при углах 40°—80°) отраженные волны могут вызвать разрушения только за счет сдвиговых деформаций. В рамках данной интерпретации дробление за счет действия избыточных напряжешш практически полностью аналогично "обычному" дроблению сверху, а отрицательное влияние трещин и

неоднородностей на дробление (ослабление ВН) и положительное (трещины - источники нового трещинообразования) являются двумя сторонами одного процесса. Если бы существовали эффективные способы управления структурой массива (некоторые возможности дает многократное нагружение), то имело бы смысл говорить об оптимальной структуре массива для дробления.

Разумеется, все перечисленные соображения не являются доказательствами формулы (2), тем более, что и уравнение (3) не имеет строгого обоснования, а используемое в формулах значение v на много порядков больше, чем указанное В.Н.Родионовым. Как показали расчеты, значение v должно составлять примерно (0.3-Н3.5) с. Это может означать, что либо горные породы имеют различные скорости релаксации при разных процессах, либо речь идет о разных процессах, описываемых похожими уравнениями (согласно (5) таким процессом являются отражения волн от трещин). Настоящими доказательствами могут служить сравнения экспериментальных и расчетных зависимостей.

1. В силу геометрического подобия волн напряжений Е\ ~ ¿з * и

к.А

<з

где кц - характеристика дробимости породы. Рассмотрим на основании формулы (6) различные проявления масштабного эффекта дробления. Самый простой и общий случай - это малотрещиноватый массив без выделенных размеров блочной структуры ("монолитная порода"), тогда средний размер куска пропорционален квадратному корню из диаметра заряда из (рис.1а, этому случаю соответствуют данные В.М.Кузнецова, В.Н.Родионова и Л.С.Евтерева). Второй случай - порода имеет один характерный размер (размер блоков в массиве (¿°, рис.1Ь), вид расчетной кривой приближается к экспериментальной, построенной В.В.Адушкиным и А.А.Спиваком для крупномасштабных взрывов. Если в породе имеется набор характерных размеров структурных элементов и заряды разных диаметров отбирают свои структуры, то при малых диаметрах зарядов зависимость приближается к линейной йе ~ кв. <^3 (рис.1с, эта формула соотвествует наблюдениям В.Н.Мосинца, В.И.Терентьева, В.П.Макарьева и Л.А.Борзенкова). Если распределение характерных размеров блоков в породе дискретно, то в несколько стертом виде ступеньки проявляются и на кривой зависимости (1е от ¿3 (рис.Ы). Конечно, в чистом виде такой график в экспериментах получить невозможно, для этого нужно по крайней мере постоянство условий нагружения по всему разрушаемому объему, но некоторые экспериментальные подтверждения зависимостей такого вида существуют (данные Э.И.Ефремова).

2. Существование масштабного эффекта дробления показывает, что при равных амплитуде волны и энергии деформирования может наблюдаться различная

lnde

Inde b)

Inde

c)

lnde

d)

lndз ша3

Рис.1. Расчетные кривые масштабной зависимости дробления (к1 < Щ)

степень дробления. Однако формула (2) позволяет сделать и более сильный вывод - степень дробления может оставаться прежней или даже уменьшаться при одновременном увеличении амплитуды и длительности волн напряжений (ВН). Например, если в силу каких-то причин амплитуда волны выросла в 2 раза, длительность волны - в 4 раза, а форма волны не изменилась, соответственно смещение увеличится в 8 раз, а энергия волны на единицу площади сечения - в 16 раз; согласно формуле (2) степень дробления при этом не изменится.

Для проверки этого утверждения использовались опыты по изучению действия цилиндрических зарядов с водяным кольцевым зазором, поставленные автором совместно с И.Ю.Ермолаевым и А.А.Лапиным. Важная особенность таких конструкций, обнаруженная В.А.Боровиковым в опытах со сферическими зарядами, состоит в увеличении амплитуды волны при определенных соотношениях диаметров зарядной полости ¿шп и самого заряда ¿3. При постановке опытов размеры породного блока и заряда ВВ оставались неизменными, менялся только диаметр шпура йтп и соотвественно величина зазора К3 = dw.nl<1?, (рис.2). Как показали эксперименты, для каждой среды существует такой размер зазора, при котором напряжения максимальны; при этом увеличивается и время действия волн, так что энергия волны на равных расстояниях в 5-8 раз больше, чем при плотном заряжании. Тем не менее измерения грансостава зафиксировали увеличение среднего размера кусков на 30 %. Опыт повторялся в нескольких типах пород, результат был тот же самый: амплитуда и энергия волны растут, дробление ухудшается. Этот пример показывает различие между разрушающим и дробящим действием взрыва.

3. Расчетные кривые зависимости (1е от расстояния до сферического заряда практически полностью совпадают с экспериментальными; показатель степени составляет 2.38-2.42 при использовании при условии £ 1/у и 2.4-2.55 при учете

Рис.2. Действие зарядов с водяным кольцевым зазором: а - зависимость амплитуды ВН от А'з; Ь - осциллограммы ВН на расстоянии г =50 по средней линии заряда; с - грансостав взорванной породы: 1 - плотное заряжание (К3 = 1); 2 - Кз = 1.8.

скорости релаксации. Если порода имеет блочную структуру, то на границе зоны разрушения йе —► сР, что соответствует измерениям при крупномасштабном взрыве (В.Н.Родионов).

4. Суть предлагаемого метода построения годографа фронта дробления заключается в том, что необходимая для дробления энергия сперва накапливается на самых крупных неоднородностях, но этим трещинам предстоит пройти самый долгий путь. На мелких неоднородностях энергия накапливается позже, но путь трещин много короче. Соответственно первыми достигают финиша трещины каких-то средних размеров. Этот момент и принимается за время прихода фронта дробления (рис.За). За фронтом дробление продолжается и, чем ближе к

О 5 10 15 т

Рис.3. Годораф фронта дробления: а - метод построения; Ь - пример расчета для заряда массой 1кг; 1 - вступление ВН; 2 - пик ВН; 3 - фронт дробления с учетом растяжения и сдвига; 4 - без учета сдвига

заряду, тем больше окончательная степень дробления отличается от степени дробления на фронте; по нашим оценкам полная степень дробления на расстояниях г =(2-г4) с?з (даже без учета квазистатических напряжений) в 1.5-3 раза выше,

чем на фронте дробления. На рис.ЗЬ показаны расчетные годографы, построенные с учетом растяжения и сдвига и только растяжения. Предполагается, что при падении напряжений ниже динамического предела прочности на сдвиг происходит переход с одной кривой на другую, связанный с резким увеличением времени индукции; этот момент может определять отрыв фронта дробления от фронта ВН и быстрое уменьшение степени дробления. Как показывают опыты И.А.Сизова и В.М.Цветкова с канифолью, аналогичную особенность имеет и зависимость (1с(г)\ ее следы видны и в результатах натурных измерений при химических и ядерных взрывах.

5. Согласно (2) при многократном взрывном нагружении (1е примерно пропорционально ДТ0,4-0'5, где N - количество циклов нагружения (точнее, зависимость должна быть несколько слабее из-за влияния (Р на ¿е и затухания ВН в разбитой трещинами среде). Приблизительно такая зависимость наблюдалась в опытах И.В.Клевцова и Ю.С.Меца; попутно отметим, что сходные зависимости известны также при дроблении ультразвуком полимеров и органических препаратов.

6. Последним по счету, но не по важности доказательством являются оценки разрушения и дробления для различных конструкций зарядов ВВ, используемым в горном деле. Для расчета волн напряжений при взрыве осесимметричных зарядов В В использовался метод суперпозиции поля напряжений от его отдельных частей (И.Хавке); при этом оценка ВН для сосредоточенных зарядов производилась по методике В.А.Боровикова и В.Н.Ваняпша, несколько модицифированной для учета влияния пустых и заполненных трещин и данных об отрицательной (растягивающей) фазе волны. Метод суперпозиции имеет два варианта: в первом варианте осесимметричньш заряд разбивается на шары одинакового размера (В.А.Боровиков, И.Ф.Ванягин), во втором - на тонкие диски (А.М.Старфьелд, Дж.М.Пиглис). Соответственно в первом случае легко учесть экспериментальные оценки ВН для сферических зарядов и взаимодействие зарядов, но трудно проводить расчеты для осесимметричных зарядов с параметрами, изменяющимися по его длине, и для коротких волн; во втором случае - картина противоположная. Поэтому нами предложен комбинированный способ. Его сущность заключается в одновременном использовании фиксированного разбиения на диски и скользящего - на шары, таким образом, чтобы каждый диск был центральным в своем шаре.

В качестве тестового примера был выбран цилиндрический заряд ВВ в воде. Для описания сферической волны использовалась методика Б.В.Замьппляева и Ю.С.Яковлева. Вода - достаточно "неудобная" среда для подобных расчетов ввиду зависимости скорости волны от давления; поэтому расчетные профили волн существенно разошлись с экспериментальными. Однако формы изобар близки к экспериментальным (данные В.В.Тихоненко и П.З.Лугового), а коэффициенты затухания амплитуды волны совпали с экспериментальными (Р.Коул, Б.Д.Христофоров) с точностью до 1 % (рис.4а). Расчеты для цилиндрических зарядов в горных породах так же, как и экспериментальные данные (А.Н.Ханукаев, В.А.Боровиков,

Рис.4. Затухание амплитуды волны при взрыве цилиндрического заряда в воде (а) и в горной породе (Ь): 1 - /3 = 54; 2 - /3 = 104; 3 - /3 = 204; 4- /3 = 404

И.Ф.Ванягин, Г.Ю.Ермолаев) покалывают существование в средней зоне взрыва (г =101-102) двух областей с различным затуханием волн (рис.4Ь). В первой области показатель степени при г составляет 1-1.1, а во второй - затухание немногим отличается от затухания у сферических зарядов. До определенной длины заряда граница первой области удаляется ог заряда с увеличением его длины; предельный размер области более медленного затухания зависит от свойств среды ВВ и породы, обычно он составляет 40-70 радиусов заряда (по средней линии заряда).

Так как у горных пород пределы прочности на растяжение много меньше, чем пределы прочности на сдвиг, то при построении изолиний равной степени разрушения и дробления (густоты трещин) в дальних от заряда зонах учитывались только растягивающие напряжения. В зоне разрушения около заряда и в зоне действия отраженных волн изолинии дробления характеризуют реальную густоту трещин; в более дальних зонах - потенциальные возможности трещинообразова-ния ("разметку трещин") и вероятность появления одиночных трещин (в случаях близкого расположения крупных неоднородностей). Анализ полученных изолиний показывает, что их ход в основном отвечает известным из экспериментов и практики горного дела зависимостям, что представляется подтверждением корректности предлагаемого подхода. Увеличение угла откоса уступа (а) и линии сопротивления по подошве (ЛСПП) вызывает появление порога (рис.5), снижение скорости детонации ухудшает дробление, многоточечное инициирование и сложные формы заряда улучшают дробление (рис.6) и т.д.

Расчеты показывают, что отраженные волны существенно влияют на разрушение и значительно меньше сказываются на дроблении. Наиболее велика роль отраженной волны при больших расстояниях от заряда до свободной поверхности. Этот вывод проясняет различие проявлений масштабного эффекта дробления -при взрывании около нескольких свободных поверхностей с невысокими удельными расходами ВВ велика роль отраженной волны в разрушении и влияние сР на <1е

ЛСПП=5м ЛСПП=7м ЛСПП=8м

а =9а а= 78" а= ^i

а)

Рис.5. Влияние ЛСПП на максимальные растягивающие напряжения (а) и степень дробления (Ь) при уступной отбойке (инициирование в центре заряда)

ДРОБЛЕНИЕ (густота трещин)

Рис.б. Изолинии максимальных напряжений сжатия, сдвига и растяжения и густоты трещин при сложных формах заряда (при одинаковой массе ВВ)

существенно больше, чем при взрывании в зажатой среде или при камуфлетных взрывах.

Отраженные от свободной поверхности волны определяют эффективность прямого и обратного инициирования. При отбойке зарядами, расположенными перпендикулярно свободной поверхности (проходка выработок), преимущества обратного инициирования по сравнению с прямым очень заметны. При уступной отбойке, судя по форме изолиний при камуфлетном взрыве, прямое инициирование должно было бы быть более эффективным, однако учет влияния свободной поверхности показывает, что обратное инициирование имеет некоторые незначительные преимущества.

Представляется, что предложенный метод оценки степени дробления может стать инструментом при выборе параметров взрывных работ. При этом для получения не только относительных, но и абсолютных оценок необходимо установить

значения характеристики дробимости горных пород к^г = ^^ ; простейший путь определения к]г состоит в сравнении усредненного по взрываемому массиву значения \[Е\ и фактического среднего размера осколков. Отметим, что определение

F,% 99

95 80

50

kf1. возможно лишь при использовании усредненных значений, так как локальные значения Е\ могут меняться в несколько раз при малых изменениях параметров зарядов. Большие вариации Е\ наряду с вариациями по-видимому являются одной из главных причин неустойчивости результатов взрывного разрушения горных пород.

Остановимся подробнее на некоторых методах повышения эффективности взрывных работ. Один из технологически наиболее простых методов регулирования разрушения и дробления связан с выбором схемы короткозамедлен-ного взрывания (КЗВ); важным параметром схемы КЗВ является коэффициент сближения скважин т = а/6, где а - расстояние между рядами шпуров или скважин, Ь - расстояние между ними в ряду замедления. Расчеты показали, что оптимальные значения т на-

20

........i.......:.........;.......

2

1 ^^

25

40

70 100

200 d,CM

Рис.7. Грансостав взорванной породы при принятых на разрезе "Степной" (1) и предлагаемых схемах взрывания(2); заштрихованы доверительные интервалы (р = 0.9)

ходятся в интервале 1.8-4.5. Большие значения приходятся на породы высокой крепости с большими значениями коэффициента Пуассона ц и малой трещино-ватостью, причем, чем выше [а], тем большее влияние на дробление оказывает т. На основании расчетных оптимальных значений т =3-3.5 для крупноблочных песчаников Экибастузского угольного бассейна предложены схемы взрывания, учитывающие ограничения по форме развала, разлету осколков и размерам блоков, связанные с особенностями циклично-поточной технологии. Оценка качества дробления производилась фотопланиметрическим способом на контрольных и экспериментальных блоках объемом по 390 м3. По данным фотопланиметрии (рис.7) средний размер кусков уменьшился на 30%, а выход негабаритных кусков - в 2 раза. Отдельные элементы предложенной технологии с 1989 года применяются на разрезах "Степной" и "Северный" ПО "Экибастузуголь".

Эффективное управление степенью дробления и разрушением достигается при использовании осесимметричных зарядов с переменными параметрами (М.Ф.Дру-кованый, Л.А.Борзенков, С.А.Гончаров, Г.Г.Каркашадзе). В породах, поддающихся термическому бурению, в первую очередь в кварцитах, изменение параметров заряда по его длине достигается с помощью варьирования диаметра скважины (рис.6). Для пород, не поддающихся термическому бурению, возможно использование аэрированных водосодержащих ВВ (ВВВ), плотность которых изменяется за счет гидростатического сжатия пузырьков газа (М.А.Кук, В.М.Павлютенков). В диссертации получены оценки изменения плотности рвв акватола ГЛТ-20 и

суспензии керогена в растворе аммиачной селитры (акванита К) в сухих и обводненных скважинах. Увеличение плотности с глубиной (h), определяемое также изменением кристаллической структуры ВВВ, близко к линейному при h < 15 м. Например у ГЛТ-20, содержащего 0.2 % раствора NaNO2, при высоте столба воды над зарядом 2 метра плотность от верхней кромки до h = 12 м повышается с 1.2 г/см3 до 1.5 г/см3.

Предложены и испытаны в полигонно-промышленных условиях методы повышения стабильности и водоустойчивости аэрированных ВВВ, связанные с использованием ПАВ различных типов и технологией введения аэратора. Показано, что при снижении плотности бризантность и скорость детонации проходят через максимум, а критический диаметр уменьшается. У акванита К при снижении плотности от 1.35 г/см3 до 1.15г/см3 скорость детонации D повышается от 1.7км/с до 4.0км/с, а при дальнейшем снижении плотности до 0.4г/см3 падает до 1.4 км/с. Критический диаметр открытого заряда ГЛТ-20 при снижении плотности от 1.55 г/см3 до 0.3 г/см3 уменьшается от 90 мм до 25 мм. ВВ с плотностью 0.25-0.4г/см , представляющие собой низкократные пены, детонируют от КД №8 со скоростью 1.2-2.2км/с, и могут использоваться для гладкого раскола. Испытания акванита К со средней плотностью 1.15г/см3 при отбойке известняков Эстонского сланцевого бассейна показали возможность снижения удельного расхода ВВ на 20-25% по отношению к акваниту с плотностью 1.35г/см3. По распределениям значений Е\ и максимальных растягивающих напряжений применение аэрированных водосодержащих ВВ близко к использованию конических зарядов.

В принципе, опираясь на данный подход, возможно оценить не только степень дробления, но и распределение кусков по фракциям. Однако решение трехмерной задачи вызывает значительные вычислительные трудности, и кроме того требует введения дополнительных предположений, конкретизирующих геометрию роста трещин. Более простой и общий путь решения задачи о гранулометрическом составе осколков состоит в использовании вероятностно-геометрических подходов. На такую возможность указывает простота закономерностей, связанных с параметрами формы распределения осколков по размерам (логарифмическое стандартное отклонение ß, параметр формы распределения Вейбулла Пцг и т.д.).

Исследования многих авторов (В.Н.Родионов, Л.С.Евтерев, Н.Н.Фаддеенков, И.Ф.Жариков и др.) показывают, что распределение основной части разрушенной массы по мере увеличения степени дробления переходит от закона Вейбулла (далее - JtRW) к логнормальному (далее - LN), причем параметр формы сохраняет примерно постоянное значение, близкое к 1. Только при малых степенях дробления наблюдается увеличение ß (уменьшение Щу) по мере повышения степени дробления, а далее-рост значений ß замедляется или прекращается вовсе. Распределение более мелких кусков при взрывах на выброс, ударном и механическом разрушении подчиняются также LN, но с существенно большим значением /3, причем с повышением степени дробления логарифмическая дисперсия уменьшается, что приводит к слиянию двух участков куммулятивной кривой.

Исключение составляет дробление при взрывах около свободной поверхности (рис.8), при котором различие между ними сохраняется и при очень высоких степенях дробления, а переходная область в спрямляющих координатах ЬК представляет собой скорее резкий излом, чем плавный изгиб (В.П.Макарьев); в спрямляющих координатах ГШХУ излом менее заметен и имеет специфическую форму (Л.С.Евтерев). Кроме того на куммулятивной кривой взорванной массы уже с меньшей регулярностью отмечаются следы распределения слоев и блоков в массиве (I) и структуры породы (IV-VI).

Полного объяснения этих закономерностей на сегодняшний день не существует. Подходы А.Н.Колмогорова и В.М.Кузнецова говорят лишь о законах распределения при одно- и многостадийном дроблении, но не о значениях параметров распределения. Теория перколяции (Д.Стоффер) достаточно успешно описывает распределение фрагментов при дроблении однородного материала, например, жидкости форсункой (М.Ф.Султанов, А.Л.Ярин); в этом случае Пц- и 3. Близкие значения наблюдаются и при разрыве металлических оболочек заряда ВВ (В.А.Одинцов); по-видимому, разница значений параметра формы отличает дробление однородных материалов и горных пород. Энергетический (Р.Чарльз, Дж.Р.Шухман) и фрактальный (Д.Л.Теркотт, Х.Накагама, Ли Гонгбо) подходы к дроблению указывают преобладающее значение гцу ~ 1 (для закона Реттингера), но не объясняют причин появления и исчезновения второй моды и связи значений П\у со степенью дробления. Кинетический (С.Н.Журков, В.С.Куксенко, В.А.Петров) и иерархический (М.А.Садовский, В.Ф.Писаренко) подходы указывают на возможность существования изломов, но не позволяют определить их характеристики.

Предлагаемый вероятностно-геометрический подход основан на очень простом опыте. Кусок горной породы неправильной формы падает на жесткую поверхность. При при малой энергии удара от него отколются по краям мелкие кусочки, размеры которых распределены в широком диапазоне (на логарифмической шкале), т.е. ¡5 велико. При большей энергии удара размер кусочков увеличится, что приведет к уменьшению /3, гак более крупные куски "перевесят" более мелкие. Начиная с определенной энергии удара основная часть куска расколется на несколько сравнимых по величине фрагментов, таким образом образуется большая по массе совокупность с малым значением ¡3. По мере увеличения энергии удара различие между совокупностями, связанными с поверхностным и объемным дроблением,

Рис.8. Типичная куммулятивная кривая грансостава при взрыве вблизи свободной поверхности в спрямляющих координатах

уменьшается и они постепенно сливаются между собой. Такой характер изменения грансостава с увеличением степени дробления наблюдается при ударном разрушении (Л.И.Барон, И.Е.Хмельницкий), обрушении горных выработок (Е.Б.Лаптев) и дроблении в дробилках и мельницах различного типа (Б.В.Михайлов).

Так как дисперсия зависит от размеров отделившихся осколков, то естественно связать положение излома с каким-то пробелом в относительных размерах образовавшихся кусков. На наш взгляд, положение излома зависит от концентрационного критерия разрушения К*. Наиболее простую связь между возникновением излома и К* можно представить себе следующим образом. При появлении трещин размером более (Р/К* (¿° - исходный размер куска или среднее расстояние между трещинами наиболее развитой их системы в разрушаемом объеме) наблюдается не образование куска объемом ~ К*)3, а разрушение всего образца (всей области между естественными трещинами) на соизмеримые по величине части. Поэтому в интервале от до может иметь место несколько иное распределение

осколков, чем при х <

Для количественной оценки связи между отношением размеров кусков в единичном акте дробления (его будем характеризовать отношением объема исходного куска к объему меньшего из образовавшихся фрагментов К — У/АУ) и гран-составом разрушенной массы, рассмотрим процесс деления при фиксированных значениях К. Полагая, что вероятность дробления не зависит от размера куска (схема А.Н.Колмогорова), получаем двойное распределение Пуассона:

Ш = ЕЕ [-1Г-) ^' СО

где t - характеристика степени дробления (при постоянных грансоставе дробящейся массы и расходе энергии, например при дроблении в мельницах, £ пропорционально времени от начала дробления); fiJ - выход фракции ^ = ^ ^7+^! (10 - размер наибольшего куска; /»¿(0) - исходное содержание фракции Связь между значением ¡3 и степенью дробления для (7) имеет вид:

/? =

1 ¿Ь'ЛГ + ^Ь'^ *

где (Ре и 01 - средьшй размер кусков и логарифмическое стандартное отклонение исходной совокупности. Как видно из (8), /3 очень медленно возрастает с увеличением степени дробления - даже при дроблении монофракции (Д = 0) ¡3 ~ гуг, но существенно зависит от К. В случая деления пополам (К = 2) при =0.25-0.5 (обычные характеристики блочной структуры массива) в диапазоне ifr = 2 -100 значения /3 составляют 0.6-1.2, что очень близко к наблюдаемым значениям

гр

2-5

при взрывном разрушении. При поверхностном разрушении (К~ 10- 100) значения /3 достигают 4-10, что достаточно близко к /З3. Отметим еще два следствия формулы (8), имеющие экспериментальные подтверждения: во-первых, логарифмическая дисперсия участка III имеет менее устойчивые значения, чем участка II, и, во-вторых, за счет увеличения размеров кусков при повышении интенсивности воздействия /?з увеличивается, несмотря на влияние степени дробления. Так как значения /З2 при увеличении интенсивности дробления возрастают, то при большей скорости удара двухмодальный характер распределения практически не отмечается (Л.В.Городилов, Э.Л.Кошелев).

Как указывалось выше, границу между объемным и поверхностным дроблением естественно определить как Кгр = (1Су. Расчет значений /? вблизи этой границы ( при К* =3.5-5 величина К, составляет 40-120) показывает, что при они доходят до 2-2.5 (рис.9), что несколько выше наблюдаемых. Причина расхождения заключается ие только в относительной редкости таких значений К, но также в основном предположении теоремы А.Н.Колмогорова о равновероятности дробления всех кусков. Для горных пород, как и для других материалов, наблюдается масштабная зависимость прочности. Она имеет двоякую природу - статистическую (А.М.Фрейденталь, В.В.Болотин) и энергетическую (А.Г.Иванов); по отношению к процессам дробления их различие можно охарактеризовать как разницу между редкостью и невозможностью дешевого (в энергетическом смысле) дробления на мелкие фракции. Статистическая причина масштабной зависимости прочности более характерна для неоднородных сред (в т.ч. - горных пород), а энергетическая - для однородных, по-видимому с этим связано различие значений п для мелких фракций. По мнению большинства исследователей (С.Е.Чирков, Л .Ж.Горобец, В.Н.Ревнивцев и др.) масштабная зависимость прочности имеет степенной характер: [сг] ~ Й~3/га; по данным В.Н.Николаевского, Л.Д.Лившица и И.А.Сизова для горных пород т = б при растяжении и т = 12 при сжатии. Проведенный выше анализ масштабного эффекта дробления показывает, что при взрыве в среднем т близко к 6, но также указывает на возможность существования и более низких и более высоких значений, вплоть до т = 3 при малых диаметрах заряда. Учет масштабной зависимости существенно усложняет вид распределения осколков по размерам, например в простейшем случае дробления кусков пополам:

1 5 10 15 Рис.9. Зависимость ,

-2 "1

, ехр

№) = Е т ——^—

«=° *=° П (1 - 2-1/™) П (1 - 2 з=о 4 ' (=о 4

Рис.10. Куммулятивная кривые при моделировании с переменными значениями К (К* = 5) в спрямляющих координатах Ш (а) и ЯИМ/ (Ь): 1 - исходный грансостав; 2- ¿/, = 1.20; 3 - ifr = 1.44; 4 - г/г = 1.77; Ъ-i¡т = 2.09; б - г'/г = 2.49; 7 - i¡r = 3.07; 8 - i}r = 3.52

где /; - выход фракции = Распределение (9) также является асимпто-

тически логнормальным, самые существенные отличия (9) от (7) заключаются в меньших значениях в при равной степени дробления и существовании конечного предельного значения (5 при £ —> со. При га =6-12 средние значения (5 для объемного и поверхностного дробления составляют примерно 0.7-1.3 и 3-4.

Численное моделирование при переменных значениях К показывает, при малых значениях куммулятивная кривая изгибается как в координатах Ш1\У, так и ЫЧ, причем меньшим кускам отвечают большие значения (3; при г'уу =2-5 наступает "этап распределения ПК\¥" (изгиб в спрямляющих координатах ПП\¥ почти незаметен), а приближение к ИДО отвечает очень высоким степеням дробления. Учет концентрационного критерия прочности К < (К*)3 К £ [2, А'] приводит к замене плавного изгиба куммулятивной кривой на резкий излом при х ~ (1°/К* в спрямляющих координатах ЬК (рис.10). При этом верхний участок распределения лучше спрямляется в координатах 1Ш\У, а нижний - ЬГ^.

Рассмотрим вопрос о возможности регулирования однородности дробления, имеющий не только теоретическое значение, но и практическое для многих видов полезных ископаемых (уголь, сланец, щебень и т.д.). Например, стоимость антрацита крупностью 50-100 мм почти в 3.5 раза превышает стоимость штыба (фракции < б мм). Также очевидно, что при добыче любого полезного ископаемого чем однороднее грансостав взорванной массы, тем меньше необходимые затраты на бурение и взрывание. Однако результаты проведенных исследований показывают, что возможности регулирования однородности дробления ограничены. Наклон участка II (рис.9) зависит только от степени дробления, значений К* и ш, поэтому изменить его практически невозможно. Положение точки излома, связанное с исходной структурой породы, может быть изменено лишь при существенном изменении диаметра заряда (рис. 1(1), либо в анизотропных породах при соответствующем выборе направления отбойки. В то же время изменение объема и интенсивности поверхностных разрушений может существенно влиять на Дз-

Существенное влияние на однородность гранулометрического состава взорванной породы оказывает только поршневое действие продуктов взрыва (ПВ). Дело в том, что в каком бы порядке не образовывались трещины в глубине массива, все равно они приводят в основном к объемному дроблению. Вклад же ПВ в дробление, кроме раскрытия магистральных трещин, заключается в перетирании и соударениях кусков при сдвижении, которые приводят большей частью к поверхностным разрушениям. Таким образом различие между объемным и поверхностным разрушением при взрыве около свободной поверхности имеет не только геометрический, но и физический смысл и сохраняется вплоть до очень высоких удельных расходов ВВ. Поэтому окончательный гранулометрический состав взорванной породы, прежде всего доля мелких фракций, существенно зависят от соотношения действия ВН и ПВ.

Повышение интенсивности ВН при снижении действия ПВ приводит к некоторому увеличению выхода самых мелких фракций из ближней зоны взрыва (участки IV-VI на рис.9), но сокращению выхода мелких фракций (участок III) из всей остальной части массива; при этом общий объем мелких фракций уменьшается, так как /З3 > ßi. Возможности таких способов регулирования дробления ограничены необходимостью сохранения минимального уровня действия ПВ, обеспечивающего раскрытие трещин и соударения кусков, а в практике горных работ - также разрыхление взорванной массы. Повышение интенсивности ВН при сохранении прежнего уровня действия ПВ (или при его снижении, если одновременно уменьшается расход ВВ) может быть достигнуто самыми разными способами, однако для повышения степени дробления эффективны лишь те, которые увеличивают скорость деформации или кратность нагружения. К числу таких методов относятся многоточечное инициирование (по данным И.Ф.Жарикова /З3 в этом случае приближается к /З2), сложной формы зарядов и т.д. Весьма эффективным представляется использование жестких вставок в центральной части заряда (В.П.Макарьев, М.А.Нефедов), в диссертации предложены конструкции таких зарядов для открытых горных работ и шахт, опасных по взрыву газа и пыли, на которые получены патенты.

При взрывании крупноблочных пород для снижения выхода негабаритных фракций важно обеспечить раскрытие трещин и соударения кусков, что требует усиления действия ПВ. По мнению большинства исследователей (Е.Г.Легостаев, Е.Г.Карпунов, Э.О.Миндели, Н.Ф.Кусов, А.В.Джигрин и др.) наиболее эффективным способом является применение усиленных забоек, в то же время существует мнение о бесполезности забойки при скважинной отбойке (К.Р.Симфа, П.Хоммерт, Н.Я.Пучков). Для проверки действия усиленных забоек были проведены опыты на больших группах скважин в производственных условиях (разрез "Северный" ПО " Экибастузуголь") с использованием бетонной забойки высотой 8 метров и двухслойной, состоящей из сжимаемой части (пенополистирол) и "несжимаемой" (бетон). В первом случае наблюдалось повышение степени дробления только в

нижней части уступа при усилении сейсмического действия взрыва и полном отсутствии пылегазового облака. Во втором случае сокращение выхода негабарита и увеличение выхода мелких фракций распространялось на всю отбиваемую породу; использование двухслойных забоек различных конструкций было включено в рекомендации по выбору параметров БВР для циклично-поточной технологии.

Третья глава посвящена разработке методов расчета плотности сыпучих и разрушенных пород.

Большую часть существующих методов расчета плотности сыпучих сред можно разделить на две группы. Во-первых, это экспериментальные методы, которые имеют наиболее широко распространены в горном деле (А.А.Лукашев, М.П.Сеинов, Н.Я.Репин, С.В.Ржевская и др.) и строительной промышленности (Н.В.Ахвердов, В.П.Сизов и др.). Однако эмпирические оценки не в силах охватить всего многообразия встречающих распределений кусков по размерам при различном качестве смешения фракций. Второй, активно развивающийся в последнее время, метод - компьютерное моделирование (Н.А.Гудман, П.Троллоп, П.Кендалл, Р.И.Алюкаев, В.Н.Потураев и др.) упаковок правильных фигур (обычно это шары или даже диски в двумерном случае). Достоинством этого подхода является учет влияния сил трения и случайного характера образования смеси, однако на компьютере невозможно смоделировать систему, состоящую из миллионов частиц, _размеры которых отличаются на 2-3 и более порядков. Более того, существуют не только количественные, но и качественные различия плотности систем элементов различных форм. Например, плотность простейшей системы частиц из двух фракций Х\ и Х2 различного размера при шарообразной (эллиптической) форме частиц имеет сложную зависимость от соотношения содержания фракций, а при неправильных угловатых формах - единственная особенность этой зависимости заключается в существовании максимума плотности при определенном соотношении содержания фракций, зависящем от их размеров (рис.11). Работы других направлений, учитывающие экспериментальные данные, немногочисленны. Из них прежде всего отметим исследования плотности почв X. Аберга, который независимо от автора получил некоторые из представленных ниже результатов; в частности он провел разделение частиц на свободные и входящие в "скелет" среды.

Предлагается два новых метода расчета Кр - приближенный и более точный, учитывающий качество смешения фракций. Эти методы опираются на экспериментальные данные и позволяют их распространить на сыпучие материалы любого гранулометрического состава. Основой обоих методов является заполнение пространства кусками все убывающих размеров. Основная величина, используемая в приближенном подходе - это введенный нами показатель:

п = Г'т~ £ Ж:2 ¿X « к2 А Ъ + £ *,• Д Д, (10)

«шш г \ах) 1=2

ДОЛЯ МЕНЬШЕЙ ФРАКЦИИ (я2), %

Рис.11. Изменения коэффициента разрыхления при смешении двух фракций: 1-4 — округлые частицы, 7-11 — частицы неправильной формы; 1, 2 — расчетные данные (двумерный случай); 3-11 — экспериментальные данные; (1, 2, 11 — данные Ю.А.Рыжкова, В.А.Гоголина, А.Н.Волкова и Н.В.Карпенко; 3-7 — данные С.В.Ржевской; 8-10 — данные автора)

1— а;х =0.1, 3 — =26.3 мм, 5— Ж! =70-80 мм, 7— Ж! =20-40 мм, 9 — X! = 5-10 им, 11 — Ж! =40-60 мм,

х2 =0.05, а2 = 12мм, а2 =5-20 мм, х2 =5-20 мм, а>2 —1-2.5 мм, «г = 0-5 мм,

2— =0.05, аз2 =0.00774,

4— =19.6 мм, Ж2=12мм, б— 331 =40-70мм, =5-20мм,

8— «1 =5-10 мм, х2= 2.5-5 мм,

10 — Е1=5-10мм, х2 =0.6-1 мм,

где гп - количество фракций; Д^,- - доля г-той фракции; к{ - угловой коэффициент отрезка куммулятивной кривой, построенной в двойных логарифмических координатах, для ¿-той фракции. Для основных распределений, используемых прп описании гранулометрического состава разрушенной породы, п очень простым образом связана с параметрами формы. Например, для степенного распределения п равно показателю степени, для логнормального распределения п = 0.903//5; для распределения Вейбулла п = 0.645 Щу, для гамма распределения п и 0.645 кШ5 (к -параметр формы Г-распределения). Поэтому введенная величина может использоваться для оценки однородности дробления наряду с коэффициентом вариации, ¡3, Щу и к. Представляется, что она имеет некоторые преимущества перед ними, так как, во-первых, степенное распределение, с которым она связана, в отличии от других распределений, хоть и грубо, но описывает всю куммулятивную кривую целиком и не требует использования 2-3 значений показателя, во-вторых п достаточно легко находится без сложных вычислений и использования специальных бланков, в-третьих, характеризует (как будет показано ниже) реальное свойство разрушенной породы - разрыхление. Поэтому будем называть п показателем од-

породности дробления (если все куски имеют одинаковый размер, то п = оо; если размеры кусков распределены в очень широком диапазоне, то тг —+ 0).

Для составления эмпирической зависимости Кр от тг использовались данные А.А.Лукаше-ва, М.П.Сеинова и В.В.Адушкина. При этом учитывалось, что она должна проходить через точку п-1 =0 (рис.12). Проведенные измерения показывают, что одинаковых размерах всех кусков коэффициент разрыхления (К®) близок к двум. Форма кусков оказывает незначительное влияние на К®. По нашим данным (в опытах использовались куски мелко- и средне-зернистого гранита, полученные при механическом дроблении) Кр составляет для кубообраз-ных кусков - 1.88-1.96; для вытянутых (столбчатых и удлиненно-пластинчатых) - 1.93-1.96; для плоских (плитчатых и пластинчатых) -2.0-2.03; для обшей совокупности, полученной при дроблении - 1.92-1.96. Меньшие значения К® имеют окатанные куски (песок и галька) -1.65-1.8. Для свободно насыпанной горной массы Кр может быть найден по формуле:

Кр = 1+^{К°-1)ахаЕп. (И)

Во многих экспериментальных работах Кр связывается со средним размером кусков. Эта зависимость определяется увеличением доли мелких фракций при по-вышенш! степени дробления, логарифмическая дисперсия которых существенно выше, чем у крупных. Однако данная тенденция устойчиво проявляется в одной и той же породе при сходных параметрах БВР. Для оценки общей зависимости однородности и степени дробления использовались данные по 37 месторождениям (В.П.Макарьев, С.Н.Азовцев, С.И.Подойников, А.Е.Азаркович), всего 43 взрыва (рис.13). Коэффициент корреляции составил для среднего арифметического размера кусков -0.52 (уровень значимости р ~ 0.999) и для среднего геометрического -0.83 (р > 0.999). Таким образом, связь между степенью и однородностью дробления, о которой шла речь выше, статистически устойчивая, но недостаточная для оценки разрыхления только по среднему размеру кусков.

Из-за изменения равномерности распределения по фракциям с повышением степени дробления меняется внешний вид взорванной породы: мелкие куски не только заполняют пустоты между более крупными кусками, но и частично присыпают их. Поэтому каждый человек, хорошо знакомый со взрывными работами, может на

Кр 1 1 1 1

1.7 - • 1 ■ 2 ■

1.6 - о 3 • /

1.5 - о»/ • / о / -

1.4 0 0 / « / -

1.3 - / ■ 1 1

0.6 0.9 1.2 1.5 П

Рис.12. Зависимость Кр от п:

1 — данные А.И.Лукашева;

2 — данные Н.П.Сеинова;

3 — данные В.В.Адушкина и Л.М.Перника

а)

О

02

0,4

¿А.М

0 0.2 0.4 аВ'м

Рис.13. Зависимость п от среднеарифметического (а) и среднегеометрического (Ь) размеров кусков

глаз в одинаковых породах определить десятипроцентные и даже меньшие различия среднего размера кусков, в то же время при сравнении раздробленных пород различных типов даже самый опытный взрывник часто не в состоянии уловить значительно большие различия степени дробления. За счет того же эффекта планиметрический и фотопланиметрический методы измерений гранулометрического состава, несмотря на очень большие погрешности, показывают малые различия степени дробления (в одинаковых породах), хотя могут существенно завышать величину этих различий.

Второй более точный метод опирается на полученную экспериментально функцию доступности пустот между более крупными кусками Х\ для более мелких Х'у.

(12)

Для учета качества смешения вводится два определения. Идеальной укладкой называется такое расположение кусков, при котором меньшие куски последовательно занимают все доступные для них пустоты. Идеальной упаковкой называется такое расположение кусков, при котором меньшие куски последовательно занимают все доступные для них пустоты, но при этом не "знают" заняты ли эти пустоты кусками из той же фракции. Именно в этом "знании" состоит основное различие между укладкой и упаковкой. Упаковкой качества р называется такое расположение кусков, при котором меньшие куски с вероятностью р попадают в доступные для них пустоты. Реальная горная масса является упаковкой, причем р ф 1. Состояние, близкое к укладке, реализуется при кольматации набросных плотин и в приповерхностном слое закладочного массива при гидронамыве в него мелких фракций.

Для укладки в большинстве случаев нахождение Кр сводится к решению линейного дифференциального уравнения; при К® = 2 оно имеет очень простой вид:

" П*«}, У'Ы = о. (13)

X

-2Г' ■

2.5х

К,

Физический смысл ха состоит в том, что при идеальной укладке куски больших размеров могут участвовать в образовании жесткого скелета сыпучей массы, а куски меньших размеров только заполняют пустоты между ними.

Расчет разрыхления для упаковок существенно сложнее, так как при добавлении любой фракции часть ее попадает в пустоты, а часть занимает дополнительный объем. Численное значение качества смешения р за исключением экспериментов с плоскими моделями практически не поддается прямому измерению. Сравнение экспериментальных данных с расчетными показало, что при взрывном разрушении качество смешения фракций имеет достаточно высокие и стабильные значения, в среднем р =0.7-0.75, а после многократных пересыпаний может па-

Сравнение коэффициентов разрыхления сыпучих материалов с различных законами распределения кусков по размерам при одинаковых значениях П (рис.14) показывает, что они достаточно близки между собой, причем минимальные значения Кр соответствуют степенному распределению. Для реальных гранулометрических составов отмечаются большие расхождения значений коэффициента разрыхления при равных значениях п, но также обычно не превосходящие погрешностей оперативных измерений К?. Расчеты для распределений, описывающих объемное (деление на сравнимые по величине части) и поверхностное (отделение малых кусочков) разрушение, показывают, что при объемном разрушении большая плотность разрушенного материала (в разрыхленном состоянии) не может быть достигнута даже при высоких степенях дробления. Зато при поверхностном разрушении материал имеет высокую плотность, причем при отделении кусков с линейным размером, меньшим 10% от размера разрушающегося куска, значение К существенной роли не играет. Таким образом, для получения достаточно плотной структуры сыпучей среды необходимо участие поверхностного разрушения в ее формировании. Для малых значений п большое влияние на Кр оказывают самые мелкие фракции, Грансоставы с п < 0.4-0.45 создать практически невозможно, ибо для таких совокупностей диапазон размеров кусков, влияющих на коэффициент разрыхления, охватывает практически весь диапазон размеров кусков раздробленной взрывом массы; поэтому совокупности с коэффициентом разрыхления, меньшим 1.25 в экспериментах практически не встречаются.

Рис.14. Зависимость от для различных распределений грансостава: 1 - степенное распределение; 2 - распределение Вейбулла; 3 - логнормальиое распределение; 4 - зависимость (11)

Влияние качества смешения р на коэффициент разрыхления (рис.15) сильнее всего сказывается при малых значениях пир. Этот вывод в целом достаточно очевиден: в начале перемешивания различных фракций эффект от него сильнее, чем на последующих стадиях, и, чем больше фракций, тем лучше надо перемешивать для достижения равномерного распределения в смеси.

Основные отличия расчета разрыхления в емкостях К* заключаются в учете особых участков вблизи стенок (размер этих участков различен для разных фракций), а также необходимости применения итерационной процедуры для определения количества материала, заполняющего емкость. Сравнение расчетных значений Кр с экспериментальными данными показано на рис.16.

........ К

1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2

■ — I Т Г - г ■ —i — -I ■ - 1 1 - ■■

-—____4

-

..... 1 ! 1 1

1.9 1.8 1.7 1.6 15 1.4 1.3

"Г " 1--Г Т ? 1 -■ г о Ч-1-Г 1--1- ДАННЫЕ л.в.шкшиш"

! - i □ ДАННЫЕ Я. П. СЕННОМ .

1 РАСЧЕТ

¥ 1 -

9 1 I о -

I *

- п -% - т i

- 1 □ - iiiii

0.3

0.5

0.7 0.9

1.1

1Г

0.0

0.2 0.4

0.6

0.8 Р

Рис.15. Зависимость Кр от р (около кривых указаны значения п)

Рис.16. Сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициентов разрыхления в емкостях

В работе С.В.Ржевской экспериментально установлено, что для используемых в горной промышленности сосудов на коэффициент разрыхления основное влияние оказывают не размер и форма емкости, а ее удельная внутренняя поверхность Syj = S/V. Расчеты показали, что этот вывод распространяется (с погрешностью < 10 %) на все емкости кроме небольших сильно вытянутых или очень мелких сосудов (S/V2^ >8-10) при п < 1. Для практических применения предлагаемой методики необходимо учитывать каким способом материал помещен в емкость — так, чтобы ее можно было закрыть плоской крышкой, примерно по верхний край емкости или с горкой. При этом горка может быть отсыпана либо до заранее заданного угла, либо до угла естественного откоса. Проведенная обработка экспериментальных данных, полученных Ю.И.Беляковым и А.В.Резуником, показала, что угол естественного откоса 0тах можно связать с показателем однородности дробления простой формулой:

¿шах = 55 - 0.39 аг^п, град. (14)

При этом в каждом из перечисленных случаев удельная внутренняя поверхность будет иметь различную величину, соответственно различными будут и коэффициенты разрыхления.

Очевидно, что зависимость Кр от соотношения величины емкости и среднего размера кусков носит различный характер при разных значениях п. Рассмотрим простой пример. Если все куски имеют одинаковый размер, то КРр существенным образом зависит от размера емкости. Если же сыпучая среда состоит из крупных кусков и песка, с избытком заполняющего пустоты между ними, то размер этих крупных кусков и соответственно (1е существенного влияния на К^ не оказывают. В малых емкостях К^ существенно зависит от вариаций гранулометрического состава (и значений п); при этом расчетное значение Кр для усредненного грансостава соответствует не среднему значению Ар для серии измерений, а его моде, которые могут заметно различаться, особенно при высоком содержании крайних фракций. В этих случаях для уточнения К* необходимы не только расчеты для среднего грансостава, но и статистический анализ. В результате обработки расчетных данных с учетом корреляции между (¡с и п составлена приближенная формула

Кр = Кр (1 + 0,07 , (15)

которая может использоваться для прогнозных оценок К* на стадии проектирования.

На основании методики расчета Кр рассмотрены некоторые закономерности течения процессов в зонах разрушения, ряд горнотехнических вопросов, связанных с проектированием отвалов и закладкой выработанного пространства карьеров, а также поведение сыпучей среды при различных воздействиях. В рамках нашего

подхода процессы уплотнения сыпучей массы подразделяются на четыре типа: перемещение кусков на "хорошие" места (увеличение р), "улучшение" положений кусков (уменьшение К1*), сжатие самих кусков (уменьшение V), и дробление кусков (уменьшение п). Влияние каждого из этих процессов определяется общей зависимостью Кр(К®,п,р), пример такой зависимости показан на рис.17.

Рис.17. Зависимость Кр(К°,п,р); около кривых указаны значения р

При встряхивании или на ранних стадиях виброуплотнения (пока вибросепарация не играет существенной роли) изменение плотности прежде всего определяется значениями К® и р. Если куски имеют примерно одинаковые размеры (п велико), то качество смешения мало влияет на плотность, а К® "методом проб и ошибок" приближается к своему устойчивому значению К®. Эффект уплотнения (разуплотнения) определяется разностью К® и К^; достигнутое при этом значение Кр не является устойчивым, при больших вибрациях разрыхление может снова измениться в большую сторону. При вибрации, осуществляемой одновременно со сжатием, в однородном по размерам частиц материале выход кусков из зацепления происходит в узком временном интервале (быстрые "просадки"); если же в среде присутствует широкий набор размеров кусков (п мало), то просадки имеют более плавный характер. В отсутствии сжатия в среде с малым значениям п, основное значение приобретает качество смешения. Такие материалы требуют больших амплитуд смещения, в то же время достигнутое уплотнение более устойчиво к новым вибрациям, чем у однородных материалов.

При неравномерном сжатии и низком качестве смешения основную роль в уплотнении играют дилатансия, приводящая к изменениям К^ (см. ниже), и дробление. Повышение качества смешения исходного грансостава за счет заполнения дефектов структуры мелкими кусками может иметь существенное значение лишь при большой начальной пустотности (р <С 1 и > К°). Вклады дилатансии и дробления в уплотнение прежде всего зависят от отношения О2/0'Ъ трения на поверхностях кусков и их прочности. Так как крупные куски отличаются большей шероховатостью и меньшей прочностью, поведение идеально уложенной среды определяется прежде всего эффективным размером жесткого скелета ха, зависящим от п. Чем выше значение п, тем больше Ха и тем вероятнее дробление, грубая

оценка приводит к соотношению г/г—1 ~ л/х^', влияние ха на разрушение может пониматься как изменение пролета балки (рис.18). У упаковок в формировании жесткого скелета участвуют куски всех размеров. Однако, если р не слишком мало, то существует область размеров, в которой происходит переход от преимущественного увеличения объема смеси к преимущественному заполнению пустот. Поэтому грансостав раздробленной породы оказывает существенное влияние на ее поведение при сжатии. Например, в опытах Г.И.Покровского и Н.П.Лушнова при примерно равных усилиях сжатия кусков из прочного гранита ([ссж] и 130 МПа) в смеси с п ¡=з 1.5 средний размер кусков изменился в 1.44 раза, а в смеси СП й 0.4 - только в 1.067 раза; т.е. г/г — 1 различались в 7 раз, а

Рис.18. Влияние хл на сжатие раздробленной породы

Ха - примерно в 5.5 раз. Так как максимальные размеры кусков в этих опытах не превышали 10-15 мм, что существенно меньше, чем размеры кусков при взрывном разрушении, то становится понятно почему значения К® для раздробленных горных пород остаются практически неизменными в емкостях любых встречающихся на практике размеров. Реальным механизмом уплотнения горной массы (кроме вибрации) может быть только дробление, требующее весьма значительных усилий. Отметим, что получившиеся в результате дробления новые куски существенно повышают значения п и р, что приводит к увеличению эффективной прочности и постепенному прекращению разрушения; поэтому уцелевшие в начале процесса крупные куски могут "дожить" до очень высоких давлений (опыты И.А.Сизова, М.Ю.Попова и В.Г.Деметриадеса). При быстром нагружении, например ударной волной, подвижки и повороты не успевают произойти за время действия нагрузки, а объемные разрушения преобладают над поверхностными, и доля сохранившихся частиц существенно меньше (опыты Л.С.Евтерева).

В четвертой главе идет речь о методах расчета структуры и формы развала взорванных массы и способах повышения эффективности взрыводоставки вскрышных пород при бестранспортной системе разработки.

Согласно В.В.Ржевскому разрушенные породы делятся по степени связности на три категории: I - сыпучие разрушенные породы (образуют четко выраженные откосы с углом ~ <?тах, Кр= 1.4-1.65); II - связно-сыпучие разрушенные породы (не образуют четко выраженных откосов, Кр = 1.15-1.3); III - связно-разрушенные породы (уступы имеют крутой откос, Кр — 1.03-1.05, реже 1.05-1.1). Данная классификация предназначена главным образом для характеристики развала в целом. Однако, как показывают наблюдения автора и других исследователей (Ю.И.Беляков, Е.Г.Баранов, В.В.Истомин, А.А.Кущко и др.) при взрывании скальных массивов в подавляющем большинстве случаев откос развала сложен породами I категории, но в других участках развала присутствуют породы всех трех категорий. При очень малом удельном расходе ВВ в скальных и полускальных массивов породы I категории почти не наблюдаются и откос полностью или частично сложен породами II категории. Породы III категории присутствуют практически при любых параметрах БВР. При взрывании в зажатой среде границы между породами различных категорий почти параллельны подошве уступа.

Таким образом, каждому из трех участков развала соответствует свой тип разрушенных пород и свой характер разрыхления. Как видно из приведенной выше характеристики пород I категории и характерных значений Кр, разрыхление этих участков массива очень близко к разрыхлению свободно насыпанной горной массы (или помещенной в очень большую емкость). Наиболее очевидные механизмы полного разрыхления заключаются в осыпании склона уступа и разлете с последующим осыпанием (рис. 19а).

с)

Рис.19. Механизмы разрыхления: осыпание и разлет (а) растяжение (Ь и с)

Сложнее обстоит дело с остальной частью массива, не испытавшей осыпания. За счет совокупного дейстия ПВ и ВН, а также соударений слоев внешние слои получают большую скорость, чем внутренние, и порода испытывает деформацию растяжения (рис.19Ь); растяжение в другом направлении создается при формировании купола (рис.19с). Однако существенное растяжение испытывают только внешние слои и только при больших расходах ВВ; кроме того, растяжение определяет разуплотнение в основном в процессе сдвижения, а на окончательное разрыхление большее влияние оказывает осыпание "растянутых" слоев. Растяжению внутренних слоев препятсвует давление ПВ, поэтому растяжение не может быть главным механизмом неполного разрыхления для основной части породы.

В то же время сдвижение не является одинаковым для всей взорванной породы: наибольшее смещение испытывают порода, отбиваемая врубовыми шпурами (при взрыве на одну свободную поверхность), и верхние слои породы (при уступной отбойке), а наименьшее - породы, наиболее близкие к целику (подошве уступа). Т.е. взорванная порода существенно "перекашивается", иными словами, испытывает большие сдвиговые деформации у. При сдвиге среды, разделенной трещинами _______________на фрагменты (рис.20), происходит переукладка частиц, вызывающая изменение объема, т.е. дилатансию. Таким образом, механизм разрыхления II и III участков взорванного массива состоит в дилатаниш при сдвижении под действием продуктов взрыва. Различие между ними заключается в типе ди-лагансионного разрыхления: на участке III сплошность породы еще не полностью нарушена и дилатансия протекает по типу "квазисплошной" среды, на участке II сцепление между кусками отсутствует и дилатансионное разрыхление протекает по типу сыпучей среды. Следовательно каждому типу разрушенных пород в классификации В.В.Ржевского соответствует не только свой участок, но и свой механизм разрыхления.

Впервые вопрос о дилатансионном механизме превращения разбитой трещинами среды в сыпучую массу был рассмотрен в работах В.Н.Николаевского и П.Ф.Короткова, однако численные оценки значении скорости дилатансии Л не могли быть получены без учета гранулометрического состава раздробленной среды.

- \

V V* V \ \ (л/СЬЛ

Рис.20. Разрыхление при сдвиге.

Для исследования влияния гранулометрического состава на скорость дилатан-сии рассмотрим простой сдвиг разбитой трещинами, но не смещенной породы (рис.20). При малых сдвигах куски находятся в зацеплении друг с другом и дила-тансионное разуплотнение имеет примерно такой же характер, как у разрушающейся породы при неравномерном сжатии. Для описания этого этапа разрыхления использовались данные А.Н.Ставрогина и Б.Г.Тарасова. После начала выхода кусков из зацепления (7 ~ 0.01-0.02) между ними появляются трещины, в которые сперва могут попасть только самые мелкие кусочки; с увеличением размеров зазоров они становятся доступны для более крупных кусков и т.д. Таким образом все куски, кроме крайних фракций, понемногу заполняют щели между более крупными и сами образуют щели для более мелких. Размер этих щелей в первую очередь определяется распределением углов, под которыми смещаются куски при сдвиге.

а> __Ъ)

е 111! 1 £ 1 1 ■■ г 1

0.35 * * 0 ■

- 0 035

0.3 - 0.3

0.25 0 0.25 / ' —~ 75°^

0.2 / 01 0

* / 0.2 / * 0

У . / // --150

0.15 1 ^^ 0.15 / / /я1/ ^ -

/«у

0.1 ■ 0.1 А " / ^

До// ""'15°

0.05 Л 1 1 1 1 1 0.05 Ж 1 1 1 1 |

О 0.1 0.2 03 0.4 0.5 ? О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 £

Рис.21. Примеры дилатансионных кривых: а - при равновероятном распределении углов сдвижения (для расчетов использованы данные А.Е.Азарковича по известковистым доломитам Сокского карьера); Ь- при наличии преимущественных углов (модельные грансоставы); точками показаны экспериментальные данные Е.Г.Баранова и И.А.Тангаева

Примеры построенных этим методом дилатансионных кривых для реальных гранулометрических составов раздробленной породы приведены на рис 21а. Характер зависимости е(£), где С ~~ угол сдвига, существенно зависит от содержания мелких фракций. Если содержание мелких фракций не слишком велико, то кривая имеет участок резкого возрастания Кр при С ~ 0.02—0.1, а при дальнейшем увеличении сдвига Л существенно меньше и плавно сокращается. Если содержание мелких фракций очень велико, то изменения Л носят более плавный, но и более сложный характер. Суть этих различий заключается в том, что мелкие кусочки могут попасть даже в очень узкие щели, образовавшиеся на ранних стадиях сдвижения, и, если их количество велико, то это сдерживает рост Кр. Дальнейшее поведение зависимости £(() зависит в этом случае от значения п. Если п достаточно велико (мало кусков средних размеров), то на определенных стадиях сдвига не хватает кусков, способных попасть в доступные для них пустоты,

и разрыхление заметно увеличивается. Сравнение расчетных кривых с данными Е.Г.Баранова и И.А.Тангаева, полученными при одновременных измерениях Кр и сдвижения в производственных условиях, дает основания полагать, что на практике реализуются оба типа дилатаясионных кривых. Второй фактор, от которого зависит дилатансионное разрыхление - это преобладающее направление трещин и углов сдвига (рпс.21Ь), однако данный вывод подтверждается только качественными наблюдениям автора и других исследователей.

Как видно из рис.21, при увеличении сдвига плотность взорванной породы уменьшается, но полное разрыхление не достигается. Переход к полностью разрыхленному состоянию происходит за счет других механизмов - "растяжения" под действием ПВ, разлета и осыпания (рис.19). Значение Кр полностью разрыхленной среды с увеличением удельного расхода ВВ и соответственно степени дробления за счет увеличения п снижается; в то же время

разрыхление остальной части развала с увеличением удельного расхода ВВ и соответственно сдвижения увеличивается. Поэтому зависимость Kp(q) имеет различный характер при разных условиях взрывания (рис.22).

Проведенные исследования показывают, что в процессе разрыхления взорванной массы могут наблюдаться два скачка плотности - при переходе от категории I к категории II и от категории II - к категории III. Реально переход I' II может быть еще резче, чем тюк&з&ао на рис.21, как за счет крутых углов сдвижения, так и образования мелких фракций непосредственно в процессе сдвижения (расчеты проводились для окончательного граясостава). Поэтому при малых удельных расходах В В имеет место большой разброс значений Кр. У слоистых осадочных пород часто основной оказывается горизонтальная или субгоризонтальная система трещин. Для таких пород характерны малая скорость дилатансии (рис.2 lb), но большие значения Кр в полностью разрыхленном состоянии (в силу низкой степени дробления и лещадных форм кусков). Тогда оказывается возможен переход прямо от дилатансии по типу " квазисплошной" среды к полному разрыхлению (иначе говоря, от разрушенных пород III категории сразу к I, минуя категорию II). В этих случаях небольшое изменение удельного расхода ВВ (на 5-10 %) и даже просто разброс прочности породы и времени срабатывания замедлителей (КЗДШ) кардинально меняют результаты взрыва.

В диссертации предпринята попытка оценить динамику процесса разрыхления взорванной породы. Для того, чтобы упростить поставленную задачу, процесс сдвижения рассматривается в почти одномерной постановке, т.е. предполагается,

Рис.22. Зависимость кр от д для разных схем взрывания: 1 - однорядная (порядная); 2 - диагональная; 3 - в зажиме

что движение горных пород происходит параллельно поверхности уступа, а дила-тансионное расширение вызывает увеличение только высоты развала взорванной массы. Как показывают экспериментальные данные Э.Э.Гайдукова, такое приближение является допустимым лишь для нижней части уступа (до верхней кромки заряда), однако верхняя часть все равно переходит в полностью разрыхленное состояние и "забывает" процесс дилатансионного разуплотнения. При этом силы трения определялась по формуле Ф.Д.Паггона г = рдНtg(y + Л), где ц> -угол трения, расширение ПВ считалось адиабатическим, а истечение ПВ рассматривалось как истечение из сопла (с учетом расширения трещины между скважинами). Начальные условия для скорости сдвижения щ определяются действием ВН; граничные условия сверху и снизу уступа приняты в виде г(0) = 0 и т(Ну) = с + рдНу tg(<р ■+ Л), где с - сцепление и Ну - высота уступа. Хотя система уравнений описывает сдвижение только одного ряда скважин, ее численное

решение представляет значительные сложности, так как уравнение сдвижения существенно нелинейно. Расчеты динамики процесса разрыхления (пример показан на рис.23) показывают, что малые изменения геометрии уступа или дилатансионной кривой (зависящей от качества дробления) могут суще-30 60 90 120 Т,мс ственно изменить распреяе-

Рис.23. Пример расчета динамики разрыхления при ление разрыхления по высоте Ну = 15 м уступа. Возможно, это явля-

ется одной из причин неустойчивости значений Кр при недостаточных удельных расходах ВВ. Например, из-за небольшого ухудшения качества дробления нижняя часть уступа может не "пройти" участок резкого возрастания разрыхления и производительность экскавации заметно снизится.

При малых удельных расходах В В или при взрывании в зажатой среде после дилатансионного разуплотнения происходят "растяжение" верхних слоев под действием ПВ, осыпание и процесс формирования развала заканчивается. Совсем иная картина наблюдается при порядной схеме взрывания и больших удельных расходах ВВ. Основная часть взорванной породы, получив начальный импульс под действием ВН и ПВ, приходит в состояние, близкое к свободному полету, и окончательная форма развала создается в основном при падениях кусков на формирующийся развал.

Прогнозирование профилей развалов, образованных при таких параметрах взрывных работ, необходимо для проектирования направленных взрывов и взры-водоставкп вскрышных пород за контур постоянного отвала при бестранспортной

технологии на угольных и сланцевых разрезах. К настоящему времени разработан целый ряд физических и математических (А.Н.Ромашов, В.В.Адушкин, А.А.Черниговский, Н.Я.Репин, Д.М.Бронников, К.Е.Винидкий, И.Ф.Жариков и др.) методов моделирования формирования развала, в том числе компьютерные методики расчета профилей развала (Р.Фавро, Р.Ф.Чиапетта, А.А.Кушко, С.В.Цирель и др.) Для повышения эффективности взрыводоставки предложено значительное количество специальных приемов ведения взрывных работ, в том числе сближение скважин в ряду замедления (имитация плоского заряда) (А.А.Черниговский) увеличение ЛНС для первого ряда скважин (И.Ф.Жариков), использование наклонных скважин (Н.Я.Репин, Б.Д.Бурлуцкий, А.А.Ташкинов) перераспределение ВВ по рядам скважин (О.Н.Либерцев), использование сосредоточенных зарядов выброса (Э.Б.Башкуев, Е.И.Шемякин) и т.д. Однако большая часть этих методов ведет к усложнению буровзрывных работ и зачастую вступает в противоречие с другой основной задачей БВР - дроблением горных пород. Меньшее внимание уделяется технологически наиболее простому способу - выбору замедлений между группами зарядов ВВ, данные различных авторов (А.Н.Ромашов, В.В.Адушкин, И.Г.Спиридонов, В.Н.Мадринкевич, Б.Д.Бурлуцкий и др.) о влиянии замедлении на длину и развала достаточно противоречивы, существуют утверждения как необходимости увеличения замедлений, так и одновременного взрывания первых двух рядов скважин. Очевидно, что такой разнобой мнений связан со сложным характером влияния замедлений на процесс формирования развала. Для разработки методов выбора оптимальных времен замедления необходимо создание методики расчета процесса формирования развала, учитывающей взаимодействие масс породы, отбиваемых различными рядами скважин, па всех этапах этого процесса.

Предлагаемая методика построения прогнозных профилей развала состоит из ряда этапов, из которых основными являются расчеты скоростей сдвижения, определяемых действием ВН, значений Е\ и йц, разгона под действием ПВ, разуплотнения взорванной массы, инерциального разлета кусков до их падения в развал, осыпания формирующегося развала. Для практического использования методики в новых горно-геологических условиях нужна короткая обучающая выборка из 3 - 5 взрывов с различными параметрами БВР для корректировки двух эмпирических коэффициентов, подобранных в настоящее время для известняков Эстонского сланцевого бассейна.

В основу расчета скоростей сдвижения положен метод Д.М.Бронникова, распространенный на многорядное взрывание и дополненный учетом действия ВН, взаимного влияния рядов скважин, истечения ПВ через устья скважин и трещины между ними и сил трения. Для г = 1,2, • • •

г

при * < Х>| щ = 0, и,- = 0, Ф = 0.25 7г /3,- рввь

5—1

40 —

при г > X) Л к = 1' 1. V"1 - ««• = «г

г/ - рI ~

¿=2 ь<р

4 = -/(т)[0.25 7Г ¿1 + а,- (и; -

Р, - Ра

= СОП84, /(т) =

к- '

2 \ 1/(7+1)

Ц = Ц)НУ(щ -

7 + 1/ \

27 (22)

7 + 1

где п - количество продольных рядов скважин; щ - смещение г-того ряда; Тд -время замедления при взрывании ¿-того ряда; - длина заряда в г-том ряду; и,- -скорость смещения г-того ряда; и* - скорость смещения породы перед г-тым рядом скважин, определяемая ВН; ктр - коэффициент трения; Q¡ - масса ВВ или ПВ в г-том ряду; - удельный объем продуктов взрыва г-том ряду; 7 - коэффициент изэнтропы; Р% - давление ПВ в скважинах г-того ряда; Ра - атмосферное давление.

Для породы, расположенной перед первым рядом скважин также рассчитывается процесс передачи импульса от расширяющихся ПВ к свободной поверхности. После отражения ВН от свободной поверхности максимальную скорость имеют внешние слои породы, однако причиной последующего ускорения движения являются расширяющиеся ПВ. Посредством соударений импульс передается к свободной поверхности, внутренние слои претерпевают множество скачкообразных изменений скорости, но к концу процесса расширения ПВ поле скоростей имеет тхш "расширяющейся Вселенной" (термин М.А.Кука). Передача импульсов при соударениях приводит к ступенчатому характеру возрастания скорости свободной поверхности (рис.24); явление, обнаруженное еще в 60-ые годы Б.Т.Пегковым, Т.С.Атчисоном и В.И.Дювалем, но не получившее объяснения. Величина и количество ступенек зависят от степени дробления и распределения размеров кусков от линии скважин до свободной поверхности. При закономерном возрастании размеров от заряда к свободной поверхности количество ступенек велико (> 10-12), а шаг их мал; при этом из-за вероятностного характера распределения размеров кусков скорость сдвижения приобретает случайную компоненту (5 — 7 %), а период нарастания скоростей до максимума случайным образом изменяется в 2 - 3 раза. В среднем большие скорости отвечают лучшему качеству дробления. При примерном постоянстве размеров кусков по ЛНС (это может иметь место между скважинами) количество ступенек сокращается до 4-7 (рцс.24Ь) а случайная компонента скорости увеличивается до 10-15 %, что приводит к образованию случайных "языков" и впадин на границе развала взорванной породы.

При описании стадии инерциального полета массив раздробленной породы разбивается на элементарные ячейки с учетом степени дробления и направлений движения. После вылета движение каждого куска до падения на формирующийся развал рассчитывается независимо от других кусков. Для учета их взаимодействия на основании данных киносъемки направление вектора начальной скорости (р считается случайной величиной, причем мода распределения (р увеличивается с номером

Рис.24. Скорости сдвижения откоса уступа (vj) и породы, отбиваемой последующими рядами скважин [vir i = 2,3,...): а - при увеличении de по мере удаления от линии скважин; Ь - при = const; заштрихованы области размаха вариаций и,- при de — 25 — 40см; с - зависимость максимальных скоростей сдвижения от времени замедления (rj = т32 = ...); d - при наборе замедлений 1 - 1 - 10 - 35 - 50 - 50 - 70 мс

рада, а дисперсия убывает. Параметр распределения <р был подобран на основании серии экспериментальных взрывов. При " укладывании" кусков в развал учитываются его форма в текущий момент и вероятность осыпания на основе сравнения локальных углов наклона и $max-

Максимальные значения скоростей породы, отбиваемых различными рядами скважин, зависят от времен замедления между рядами. При малых интервалах замедления Тз задние ряды подталкивают передние, но сами тормозятся; при больших 7"з (рис. 24с) роль взаимодействия в процессе разгона существенно сокращается, но формирующийся развал препятствует движению кусков из задней части блока, что приводит к увеличению высоты развала (рис.25). При неравных интервалах замедления между рядами скважин скорости сдвижения испытывают сложные вариации, вплоть до временных изменений направления движения на противоположное (piic.24d); косвенным экспериментальным подтверждением этого являются многогорбые профили развалов при использовании подобных схем взрывания и отбойке на подпорную стенку из неубранной породы, разрушенной предыдущим взрывом. Оптимальными оказываются схемы с нарастающими временами замедлений по мере удаления от откоса уступа. Результаты опытно-промышленных

А

нэп вст г як

Рис.25. Расчетные профили развалов: а - исходное положение; Ь - при т3 = 10 мс; с - при т3 = 50 мс; <) - при наборе замедлений 10 - 10 - 20 - 35 - 35 - 50 - 50 мс; 1 - откос будущего отвала; 2 - скважины; 3 - неубранная порода от предыдущего взрыва

Рис.2б. Профили развалов при опытно-промышленных взрывах: а - при гз = 10 мс; Ь - при т3 = 50 мс; с - при наборе замедлений 10 - 10 - 20 - 35 - 35 - 50 - 50 - 85 мс; 1 - "хвосты" обогатительной фабрики, размещенные в выработанном пространстве

взрывов, проведенных совместно с О.Н.Либерцевым, представлены на рис.26. Выбранные с помощью этого метода параметры взрывных работ с 1987 года применяются на разрезе "Октябрьский" (ныне - " Айду") ГП "Эстонсланец" и позволили без изменения расхода ВВ почти в 1.5 раза увеличить объем породы (Усбр), выброшенной силой взрьша за контур постоянного отвала.

ВЫВОДЫ

1. Проведено разделение разрушающего и дробящего действия взрыва, при этом под разрушением понимается явное нарушение сплошности объекта, а под дроблением - множественное трещинообразование, пусть даже не доведенное до конца. Показано, что разрушающее действие зависит главным образом от сило-

вых условий (максимальных напряжений и деформаций), а дробящее действие -от энергетического условия, связанного с диссипацией энергии на трещинах и не-однородносгях. При взрыве около свободных поверхностей разрушение в основном определяется отраженными волнами напряжений и расклинивающим действием продуктов взрыва, а дробление - прямыми волнами напряжений и перетиранием осколков при сдвижении.

2. Предложен новый критерий дробящего действия взрыва; возможность применения данного критерия проверена с использованием экспериментальных данных по масштабному эффекту дробления, действию зарядов с водяным кольцевым зазором, влиянию многократного взрывного нагружения на дробление, распространению фронта дробления и зависимости средних размеров осколков от расстояния до заряда. На основании данного критерия разработана компьютерная методика расчета локальных значений средних размеров осколков для осесимметричных зарядов ВВ различных конструкций при камуфлетных взрывах и уступной отбойке; составлены карты изолиний равной степени дробления для основных конструкций скважинных и шпуровых зарядов ВВ.

3. Разработаны и проверены в промышленных условиях методы повышения степени дробления, основанные на использовании аэрированных суспензионных во-досодержащих ВВ переменной плотности, выборе коэффициента сближения скважин в соответствии со свойствами отбиваемого массива и применении усиленных забоек, состоящих из сжимаемой и жесткой частей. Предложены методы повышения стабильности и чувствительности суспензионных водосодержащих ВВ. Схемы взрывания, составленные на основе предложенной методики выбора коэффициента сближения скважин, внедрены на разрезе "Степной" ПО " Эккбастузуголь" с положительным экономическим эффектом.

4. Показано, что характер распределения кусков по размеру в разрушенной массе определяется отношением К размеров исходного объема и отколовшихся кусков в единичных актах дробления, при этом малые значения К отвечают объемному разрушению, характеризующемуся развитием магистральных трещин, а большие - поверхностному; граница между ними связана со значением концентрационного критерия разрушения К*. Логарифмическое стандартное отклонение ¡3 распределения кусков по размерам по мере увеличения интенсивности дробления возрастает, устремляясь к предельному значению /?, зависящему от К и показателя степени т, характеризующего масштабную зависимость прочности.

5. Показано, что при разрушении конечных объемов или массивов блочной структуры и возможности сдвижения раздробленной массы, в ней содержится, по крайней мере, две совокупности, имеющие различные логарифмические дисперсии, причем в области более крупных размеров кусков преобладает совокупность, отвечающая объемному разрушению, со значением ¡3 « (3 ~ 1, а в области менее крупных - совокупность, отвечающая поверхностному разрушению, со значением

Р « 3-4. Такая структура гранулометрического состава характерна для разрушения горных пород взрывом вблизи свободной поверхности, а также при малой степени дробления для разрушения свободным ударом, в дробилках различного типа и при обрушении горных выработок. При взрыве вблизи свободной поверхности объемное разрушение определяется, в основном, волнами напряжений, а действие продуктов взрыва определяет, главным образом, поверхностное разрушение и реализацию естественных и наведенных взрывом трещин в виде разрушенной массы.

6. На основании полученных зависимостей @(К,т, К*) составлена методика прогнозирования гранулометрического состава при взрывном разрушении; установлены причины примерного постоянства характеристик однородности гранулометрического состава осколков. Показано, что существенные изменения однородности дробления возможны лишь для второй совокупности и могут быть достигнуты путем перераспределения энергии ВВ между волнами напряжений и действием продуктов взрыва. Предложен методы перераспределения энергии ВВ между волнами напряжений и действием продуктов взрыва с помощью зарядов с жесткой центральной вставкой с акустическим импедансом, превышающим импеданс ВВ.

7. Предложена новая характеристика гранулометрического состава сыпучих и разрушенных материалов - показатель однородности дробления п =

[Xтах х /ЛрЛ2 , 7-1/ \

I Т ("д^") <1х, где г (х) - функция распределения кусков по размерам. Показано, что п зависит только от параметров формы распределения гранулометрического состава разрушенных пород и монотонно уменьшается с увеличением степени дробления; за счет этого эффекта весьма неточные планиметрический и фотопланиметрический методы измерения гранулометрического состава взорванной породы могут показывать малые изменения степени дробления при сравнении различных параметров буровзрывных работ.

8. Предложено два новых метода расчета объемной плотности сыпучих и разрушенных материалов, опирающихся на экспериментальные данные и позволяющие их распространить на другие сыпучие и разрушенные материалы. Первый более простой, но менее точный, метод основан на тесной связи разрыхления с показателем однородности дробления и предназначен для расчета объемной плотности взорванных пород. Второй более точный метод, основанный на мысленном заполнении пространства кусками все уменьшающихся размеров, позволяет учитывать качество смешения и гонкие особенности гранулометрического состава и предназначен для любых сыпучих материалов, состоящих из частиц неправильных форм.

9. Составлена методика расчета коэффициента разрыхления горной массы в емкостях различных форм и размеров. Показано, что характер зависимости коэффициента разрыхления от отношения размеров емкости и среднего размера осколков определяется значением показателя однородности дробления. Разрыхление горной

массы с большими значениями п существенно увеличивается с уменьшением размера емкости. Разрыхление горной массы с малыми значениями п за исключением совсем малых емкостей, для которых существенны случайные вариации гранулометрического состава, практически не зависит от размеров емкости.

10. На основе разработанного подхода к оценке структуры и плотности сыпучих и разрушенных материалов предложены расчетные методы для ряда горнотехнических задач - заложения выработанного пространства карьеров вскрышными породами, проектирования отвалов. Изучены механизмы и качественные закономерности деформации сыпучих и разрушенных материалов при вибрации и сжатии. Показано, что при сжатии раздробленной породы для высоких значений п основным механизмом деформирования является разрушение кусков, а для малых п - переупаковка кусков.

11. Составлена классификация механизмов разрыхления горной массы при взрывном разрушении. Показано, что каждой категории разрушенных пород по классификации В.В.Ржевского отвечает свой механизм разрыхления:

а) сыпучие разрушенные породы (наведенная пустотность £ = 20 — 40%), основные механизмы разрыхления - осыпание, разлет и растяжение;

б) связно-сыпучие разрушенные породы, частично сохранившие структуру массива (£ = 5 — 30 %), основной механизм разрыхления - дилатансия по типу сыпучей среды;

в) связно-разрушенные породы, почти полностью сохранившей структуру массива (£ = 2 — 8%), основной механизм разрыхления - дилатансия по типу сплошной среды.

12. Показано, что дилатансия является основным механизмом неполного разрыхления. Разработаны методы расчета дилатансионного разуплотнения в процессе сдвижения, учитывающие гранулометрический состав, форму кусков и качество смешения. Характер дилатансионной кривой зависит от содержания мелких фракций: для малого их содержания характерно резкое снижение плотности при сдвиге 7 ~ 0.02 -0.1, а для высокого - снижение плотности носит более плавный характер.

13. Разработана методика расчета скоростей сдвижения взорванной породы при многорядном взрывании, учитывающая интервалы замедления между рядами скважин. Показано, что при сдвижении взорванной породы нарастание скорости свободной поверхности (откоса уступа) до максимума состоит из серии скачкообразных изменений. Из-за случайного характера распределения кусков в раздробленной породе максимальная скорость имеет случайную составляющую, достигающую 10-15%, а длительность периода нарастания скорости варьирует в 2-3 раза.

14. Разработана методика расчета формы развала при многорядном взрывании; результаты расчетов проверены в ходе опытно-промышленных взрывов на разрезе

"Октябрьский" ПО "Эстонсланец". Показано, что форма развала взорванной породы существенно зависит от интервалов замедления между группами зарядов, как за счет влияния формирующегося развала на движение кусков, особенно заметного при больших интервалах замедления, так и за счет подталкивания передних и торможения задних слоев породы, особенно заметных при малых интервалах. Их совокупное действие определяет существование наборов интервалов замедления, обеспечивающих максимальное смещение взорванной породы.

15. На основе разработанной методики прогнозирования формы развала выбраны параметры взрывных работ для разреза "Октябрьский". Проведение взрывных работ с этими параметрами позволило без увеличения расхода ВВ почти в 1.5 раза повысить эффективность направленного перемещения вскрышных пород в выработанное пространство, предложенные параметры БВР были внедрены на разрезе.

Основные публикации по теме диссертации

1. Опенка поля напряжений цилиндрического заряда для породы// Изв.вузов.ГЖ.-1983, №6.- 63-66 (соавторы - В.А.Вирченко, А.П.Егоров, С.В.Красавин).

2. Определение оптимального коэффициента сближения скважин при уступной отбойке// Изв.вузов.ГЖ.-1983, №8.- С.56-61 (соавторы - В.А.Боровиков, И.Ф.Ванягин).

3. Применение водосодержащих ВВ в обводненных массивах// Тезисы IX Всесоюзного научно-технического совещания по БВР. - Красноярск, 1984.- С.52-56 (соавторы - С.В.Красавин, Г.П.Попов, В.Ф.Щербинин).

4. Метод расчета профилей развала при многорядном короткозамеяленном взрывании// Горючие сланцы- 1985, №2/1.- С.36-40 (соавтор - О.Н.Либерцев).

5. Математическое моделирование процесса разрушения горного массива// Тезисы X Всесоюзного научно-технического совещания по ЬВР. - М., 1988.- С.8 (соавторы

- Л.А.Борзенков, А.Т.Калашников).

6. Волны напряжений в обводненном трещиноватом массиве. Л.: изд.ЛГИ, 1989. -85 с. (соавторы - В.А.Боровиков, И.Ф.Ванягин, М.Г.Менжулин).

7. Взрывоподготовка горной массы на разрезах при поточной и циклично-поточной технологии// Уголь.- 1989, №8.- С.39-41 (соавторы - Ю.М.Мисник, Ю. И. Виноградов).

8. Затухание волн напряжений в обводненном трещиноватом массиве// Взрывное дело,- 1990, №90/47. - С.37-46 (соавторы - В.А.Боровиков, И.Ф.Ванягин).

9. Критерии разрушения при расчете параметров буровзрывных работ по оценкам полей напряжений// Записки ЛГИ, т.125. - Л., 1991,- С.66-71.

10. Метод оценки разрушающего действия взрыва// Проблемы открытой разработки глубоких карьеров. Труды Международного симпозиума "Мирный-91".-Т.1.- С.301-303.

11. Расчет поля напряжений скважинного заряда с переменными параметрами// Физические процессы горного производства.- СПб.,1992,- С.65-69 (соавторы

- В.А.Боровиков, И.Ф.Ванягин).

12. Влияние времени замедления на формирование развалов взорванной массы; ФТПРПИ.- 1992, №4 - С.73-80 (соавтор - О.Н.Либерцев).

13. Об эффективности использования забойки на открытых горных работах/ Уголь,- 1992, №6.- С.19 (соавтор - А.Н.Монахов).

14. О влиянии распределения характеристик волны напряжений и разрушени внутри уступа на начальную скорость сдвижения// ФТПРПИ.- 1992, № 6 - С.51-5'

15. К вопросу о выборе составов гранулированных ВВ местного приготовления/ Уголь.- 1993, №7 - С.22-24.

16. Методика расчета формы развала и разрыхления горной массы и повышени объема сброса при бестранспортной системе разработки// Международный сим позиум по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства. Тезис! докладов,- СПб.- 1993.- С.199-206.

17. Возможности регулирования равномерности дробления гранулометрическог состава взорванной горной массы// Там же- С.212-218.

18. Регулирование фракционного состава разрушенной массы взрывном дробленш горных пород// X Международная конференция по механике горных пород. Тезись докладов. М., 1993.- С.84-85.

19. Методы расчета объемной плотности горной массы// ФТПРПИ.- 1994, № 1.

20. К расчету коэффициента разрыхления горной массы// Горный журнал.- 1995 №2. - С.44-45.

21. Заряд для отбойки горных пород. Патент РФ №2026988. Кл. Е 21 С 37/00 Бюл. №2, 1995.

22. Предохранительный заряд для отбойки горных пород. Патент F® № 2027141 Кл. Е 21 С 37/00. Бюл. №2, 1995 (соавтор - Е.Б.Лаптев).

23. К вопросу о разрыхлении сыпучих и разрушенных горных пород// Горн, инф,-анал. бюл,- 1997, Н 1. - С.138-147.

24. К вопросу о дроблении горных пород взрывом// Разрушение взрывом и необратимые деформации горных пород.- М.: изд.ИГД, 1997. - С.82-100.

25. Methods of granular and fragmented material packing density calculation// Int. J. Rock Mech. Sci. к Geomech. Abstr.-1997.- V.34.- №2.- P.263-272.

26. Дилатансионное разуплотнение и структура развала взорванной породы// XI Российская конференция по механике горных пород. Тезисы докладов. СПб., 1997.-

27. Критерий дробления горных пород при динамических нагрузках// Там же.-

С.34-46.

С.485-490.

С.491-496.

• - / '/ к**

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская Академия наук Национальный научный центр горного производства -Институт горного дела им.А.А.Скочинского

На правах рукописи УДК 622.235 + 624.131

ЦИРЕЛЬ Сергей Вадимович

МЕТОДЫ РАСЧЕТА СВОЙСТВ РАЗРУШЕННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗВАЛА ПРИ ВЕДЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

05.15.11 - Физические процессы горного производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант академик РАН Е.И.Шемякин

Москва - 1998

_ 2 — СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................4

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ...............................................................13

2. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВЗОРВАННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ ..............................................................25

2.1. Методы расчета среднего размера осколков.....................25

2.2. Экспериментальные обоснования критерия дробления ..........36

2.2.1. Масштабный эффект дробления.............................36

2.2.2. Действие зарядов с водяным кольцевым зазором ............40

2.2.3. Многократное нагружение...................................46

2.2.4. Распространение фронта дробления.........................49

2.2.5. Зависимость среднего размера осколков от расстояния до заряда .............................................................52

2.3. Влияние условий взрывания и конструкций зарядов ВВ на разрушение и дробление ............................................55

2.4. Методы измерений и первичной обработки экспериментальных данных о гранулометрическом составе осколков ...............74

2.5. Анализ экспериментальных данных и обзор теоретических подходов к прогнозу распределения осколков ........................84

2.6. Расчет гранулометрического состава взорванной горной массы...................................................................112

2.6.1. Деление кусков пополам ....................................114

2.6.2. Отделение малых фрагментов ..............................119

2.6.3. Общий закон распределения при постоянном К ............121

2.6.4. Учет масштабной зависимости прочности ..................125

2.6.5. Методика прогнозирования грансостава....................133

2.7. Практическая реализация некоторых методов повышения качества дробления...................................................144

2.7.1. Управление разрушением и дроблением с помощью водо-содержагцих аэрированных ВВ ...................................144

2.7.2. Выбор схемы взрывания и коэффициента сближения скважин ..............................................................158

2.7.3. Использование усиленной забойки скважин .................167

2.7.4. Регулирование однородности гранулометрпческого состава раздробленной породы.........................................170

Краткие выводы ...................................................174

3. ОБЪЕМНАЯ ПЛОТНОСТЬ РАЗРУШЕННЫХ И СЫПУЧИХ ГОРНЫХ ПОРОД ...................................................177

3.1. Анализ методов расчета объемной плотности и коэффициента разрыхления разрушенных пород и сыпучих материалов ..........181

3.2. Приближенный метод расчета объемной плотности............187

3.3. Метод расчета объемной плотности с учетом качества смешения ..............................................................196

3.4. Расчет коэффициента разрыхления в емкостях ................217

3.5. Вариации коэффициента разрыхления в емкостях .............243

3.6. Приложения методики расчета плотности сьшучих и разрушенных пород ......................................................254

3.6.1. Исследования деформационных свойств сьшучих и разрушенных материалов ..............................................254

3.6.2. Поведение горных пород в зонах разрушения...............261

3.6.3. Расчет заполнения выработанного пространства карьеров вскрышными породами...........................................263

3.6.4. Проектирование отвалов ...................................264

Краткие выводы ...................................................265

4. ФОРМА И СТРУКТУРА РАЗВАЛА ВЗОРВАННОЙ ПОРОДЫ.. .267

4.1. Типы разрушенных пород и механизмы разуплотнения ........267

4.2. Дилатансия разрушенной породы ..............................274

4.3. Влияние параметров заложения зарядов ВВ на разрыхление разрушенной породы ...............................................291

4.4. Расчет скоростей сдвижения и формы развала.................301

4.5. Результаты опытно-промышленных взрывов ..................323

Краткие выводы ...................................................327

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .....................................................329

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...........................................335

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основная цель применения взрывных работ в горном деле и строительстве состоит в рыхлении скальных и полускальных массивов. Соответственно результаты взрыва в первл-ю очередь характеризуются качеством дробления, формой и структурой (коэффициентом разрыхления) разрушенной породы. Наибольшее внимание обычно уделяется среднему размеру осколков и гранулометрическому составу взорванного массива, при этом ввиду чрезвычайной сложности процессов динамического разрушения горных пород расчеты данных параметров в основном ведутся эмпирическими методами. Достигнутые в последние годы успехи в изучении структуры и механических свойств горного массива дают возможности глубже рассмотреть процессы взрывного дробления. Однако новые представления о горном массиве находятся в стадии становления п пока не позволяют проводить полный расчет процессов разрушения. Поэтому является актуальной задача разработки новых методик вычисления среднего размера осколков и их гранулометрического состава, учитывающих как новые теоретические подходы, так и накопленный опыт горных работ.

Существенно меньше работ посвящено форме и структуре развала горной массы, также оказывающим существенное влияние на производительность выемочно-транспортного оборудования. Знание коэффициентов разрыхления необходимо при расчетах целого ряда технологических процессов горного дела и строительства - выбор параметров БВР при бестран-странспортной системе разработки с взрыводоставкой вскрышных пород в выработанное пространство; строительство насыпей, набросных и взрыво-набросных плотин; магазинирование и выпуск руды; выбор гранулометрического состава наполнителей для тяжелых бетонов п закладочных материалов и т.д. Для составления методик расчета параметров развала взорванной массы требуются вычисления не только конечного разрыхления,

но и промежуточных состояний разрушенной породы. Эмпирические методы, принятые в горном деле и строительстве, не могут охватить всех встречающихся на практике гранулометрических составов разрушенных и сыпучих пород при различном качестве смешения фракций и не позволяют изучать процессы разуплотнения взорванной массы. Механика сыпучих сред использует главным образом либо континуальные модели, неприменимые для расчетов коэффициентов разрыхления, либо дискретные моделп, представляющие собой случайные упаковки правильных фигур, свойства которых не только количественно, но и качественно отличаются от свойств разрушенных горных пород, состоящих из кусков неправильных форм с размерами, изменяющимися в диапазоне 2-3 и более порядков. Поэтому необходима разработка новых подходов к изучению формы и структуры развала взорванной массы и расчету плотности разрушенных и сыпучих пород, опирающихся на экспериментальные результаты п позволяющих их распространить на материалы с произвольным гранулометрическим составом и любым качеством смешения фракций.

Цель работы и объект исследований. Основной целью работы является разработка методов расчета для решения комплекса задач, связанных со свойствами разрушенных горных пород. Объектом исследованные являются разрушенные взрывом и сыпучие породы и. более широко, материалы различного гранулометрического состава, состоящие пз частиц неправильных форм. В соответствии с выбранным объектом и с поставленной целью исследований решались следующие задачи.

1. Установление характеристик поля напряжений, определяющих дробящее действие взрыва в горных породах и анализ влияния масштабного фактора, формы заряда, свойств ВВ и расстояния до свободной поверхности на дробящее и разрушающее действие взрыва.

2. Установление причин примерного постоянства параметров формы распределения осколков раздробленной породы по размерам и возможностей регулирования однородности дробления.

3. Разработка методов расчета средних размеров осколков и гранулометрического состава горной массы при различных параметрах ведения буровзрывных работ.

4. Разработка методов расчета плотности разрушенных и сыпучих пород, учитывающих их гранулометрический состав и качество смешения фракций.

5. Разработка методов расчета разрыхления горной массы в емкостях различных форм и размеров.

6. Оценка влияния гранулометрического состава на деформационные свойства разрушенных пород при вибрации и сжатии.

7. Изучение процесса разуплотнения взорванной породы при сдвижении и структуры развала раздробленной массы.

8. Разработка методов расчета скоростей сдвижения взорванной породы при многорядном взрывании.

9. Разработка методов расчета формы развала взорватшой породы и способов повышения эффективности взрыводоставки вскрышных пород при бестранспортной системе разработки.

Основная идея работы. Однородность гранулометрического состава разрушенных горных пород зависит от соотношения объемного (деления на сравнимые по размеру куски) и поверхностного (отделения малых фрагментов) дробления и определяет их геометрические и кинематические характеристики - плотность в свободном состоянии и в емкостях, .механизм деформации при различных воздействиях и характер разрыхления прп взрывной отбойке.

Защищаемые научные положения.

1. Дробление горной породы при динамическом нагружении может быть описано как вязкий диссипативный процесс, а локальное дробящее действие определяется соотношением й"1 — И"1 = <1 е\, где О. (1 - средние размеры блоков до и после дробления; е\ - интеграл от квадратичной формы главных скоростей деформации по времени действия напряжений; -характеристика прочности. При разрушении горных пород взрывом соотношение между диаметрами зарядов ¿з, определяющими скорости деформации, и размерами неоднородностей в массиве обуславливает различные проявления масштабного эффекта дробления - й ^ ^ ~ ^з или ^ ~ Е.

2. Характер распределения кусков по размеру в разрушенной массе определяется отношением К размеров исходного объема п отколовшихся кусков, при этом малые значения К отвечают объемному разрушению, характеризующемуся развитием магистральных трещин, а большие - поверхностному; граница между ними определяется значением концентрационного критерия разрушения К*. Логарифмическое стандартное отклонение ¡3 распределения кусков по размерам по мере увеличения интенсивности дробления возрастает, устремляясь к предельному значению 3, зависящему от К и показателя степени т, характеризующего масштабную зависимость прочности.

3. При разрушении конечных объемов или сред блочной структуры и возможности сдвижения раздробленной массы, в ней содержится, по крайней мере, две совокупности, имеющие различные логарифмические дисперсии, причем в области более крупных размеров кусков преобладает совокупность, отвечающая объемному разрушению, со значение:.! /3 ~ /3 «1, а в области менее крупных - совокупность, отвечающая поверхностному разрушению, со значением (3 « 3-4. Такая структура гранулометрического состава характерна для разрушения горных пород взрывом вблизи свободной поверхности, а также при малой степени дробления для разрушения

свободным ударом, в дробилках различного типа и при обрушении горных выработок.

4. При взрыве вблизи свободной поверхности объемное разрушение производится, в основном, волнами напряжений, а действие продуктов взрыва определяет, главным образом, поверхностное разрушение и реализацию естественных и наведенных взрывом трещин в виде разрушенной массы. Существенные изменения однородности дробления возможны лишь для второй совокупности и могут быть достигнуты путем перераспределения энергии ВВ между волнами напряжений и действием продуктов взрыва.

5. Плотность сыпучих и разрушенных материалов зависит от гранулометрического состава и качества перемешивания различных фракций, причем влияние гранулометрического состава определяется показателем однородности дробления гг, введенной новой характеристикой, вычисляемой с помощью функции распределения кусков по размерам. При сжатии раздробленной породы для высоких значений п основным механизмом деформирования является разрушение кусков, а при малых п - переупаковка кусков.

6. Характер зависимости коэффициента разрыхления от размеров емкости определяется значением показателя однородности дробления. Разрыхление горной массы с большими значениями п существенно увеличивается с уменьшением размера емкости; разрыхление горной массы с малыми значениями п за исключением совсем малых емкостей, для которых существенны случайные вариации гранулометрического состава, практически не зависит от размеров емкости.

7. Начальный этап разуплотнения взорванной породы определяется ди-латансией; характер дилатансионной кривой зависит от содержания мелких фракций: для малого их содержания характерно резкое снижение плотности при сдвиге 7 ~ 0.02-0.1, а для высокого - снижение плотности носит более плавный характер.

8. При сдвижении взорванной породы нарастание скорости свободной г

поверхности (откоса уступа) до максимума состоит из серии скачкообразных изменений. Из-за случайного характера распределения кусков в раздробленной породе максимальная скорость имеет случайную составляющую, достигающую 10-15%, а длительность периода нарастания скорости варьирует в 2 - 3 раза.

9. Форма развала взорванной породы существенно зависит от интервалов замедления между группами зарядов, как за счет влияния формирующегося развала на движение кусков, особенно заметного при больших интервалах замедления, так и за счет подталкивания передних и торможения задних слоев породы, особенно заметных при малых интервалах. Их совокупное действие определяет существование наборов интервалов замедления, обеспечивающих максимальное смещение взорванной породы.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили разработать новые подходы к расчету характеристик взорванной горной массы, основанные на предложенных в диссертационной работе моделях процесса взрывного дробления горного массива и структуры разрушенных и сыпучих пород.

Научная новизна полученных результатов прежде всего состоит в следующем:

- установлены причины примерного постоянства и разработаны методы расчета параметров формы распределения размеров осколков, а также принципы и пределы возможностей регулирования этих параметров:

- на основе представления о дроблении как о вязком дпссипативном процессе предложен новый параметр поля напряжений, характеризующий локальное дробящее действие динамической нагрузки в неоднородной среде;

- предложена новая характеристика разрушенных и сыпучих пород, показатель однородности дробления, определяющая их плотность в свободном состоянии и в емкостях различных форм и размеров;

- исследованы механизмы деформации разрушенных пород при вибрации и сжатии;

- показано, что основным механизмом разуплотнения взорванных пород является дилатансия, рассчитаны кривые дилатансионного разуплотнения разрушенных пород различного гранулометрического состава:

- показано, скорость сдвижения взорванной пород имеет случайную составляющую, определяемую случайным характером распределения кусков при дроблении;

- установлен характер влияния интервалов замедления между группами зарядов ВВ на форму развала разрушенной породы;

- разработана методика прогнозирования формы развала при многорядном взрывании.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований был разработан ряд расчетных методик, предназначенных для использования при проектирования взрывных работ в горном деле и строительстве, в том числе сравнения дробящего действия зарядов ВВ различных конструкций, выбора схем взрывания и коэффициента сближения скважин Методика выбора схем взрывания была внедрена с положительным экономическим эффектом на разрезах ПО " Экибастузуголь". Для регулирования дробления предложены и испытаны в полигонно-производственных условиях несколько новых составов суспензионных ВВВ местного приготовления плотностью от 0.2 до 1.5 г/см3; разработаны новые конструкции зарядов ВВ для открытых горных работ и шахт, опасных по взрыву газа и пыли, на которые получены патенты. Разработана методика расчета плотности сыпучих и разрушенных материалов в емкостях любых форм и размеров, учитывающая гранулометрический состав, форму частиц и качество смешения

фракций. Предложен метод управления формой развала взорванной породы с помощью интервалов замедления между рядами скважин; применение данного метода на разрезе "Октябрьский" ПО "Эстонсланец" позволило без повышения расхода ВВ увеличить в 1.5 раза объем сброса взорванной породы в выработанное пространство.

Достоверность резул�