автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Обоснование составов ВВ и конструкций шпуровых и скважинных зарядов для направленного разрушения горных пород

' .-*> *" о

Министерство по делам науки, высшей шкоды и технической политике РФ

Санкт-Петербургский ордена Ленина, ордена Октябрьской

Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный горный институт имени Г. Е Плеханова (технический университет)

на правах рукописи

РУХШША НАДЕЖДА ВЛАДИМИРОВНА

ОБОСНОВАНИЕ СОСТАВОВ ВВ И КОНСТРУКЦИЯ ШПУРОВЫХ И СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ДЛЯ ЗАПРАВЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.11 - Физические процессы

горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена 6 Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г. Е Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Нефедов Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор 'технических наук, профессор

Григорьев Юрий Максимович

кандидат технических наук Михайлов Геннадий Сергеевич

Ведущая предприятие : Гипронеруд

Завдта диссертации состоится 9 апреля 1993 г. в /3 час. мин. на заседании специализированного совета Д. 063.15.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г. Е Плеханова

по адресу : 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, д. 2,ауд. 1160

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г. Е Плеханова.

Автореферат разослан " ^ " ММ^Ьтпе, 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктЬр технических наук, профессор Э. И. Богуславский

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Для рационального использования природных ресурсов и повышения эффективности добычи в' горной промышленности весьма важным является совершенствование проектирования и производства горных работ с целью уменьшения ущерба от них окружающей среде. В связи с этим возрастает значение и объемы работ по направленному разрушению горных пород (ГП), основой которого является метод контурного взрывания шпуровых или скважинных зарядов БВ, методы предварительного трещинообразования, "щадящего" взрывания.

В настоящее зремя при различных способах направленного разрушения предусматривается использование в основном удлине-ных осесимметричных зарядов различных конструкций, а именно: пороховых зарядов, зарядов из бризантных ВВ с воздушными промежутками и с радиальным воздушным зазором, разновидностью которых является заряд из 2-х нитей ДЩ.

Однако, ассортимент промышленных ВВ, допущенных в настоящее время к применению, не позволяет конструировать все разнообразие зарядов, необходимых при различных видах направленного взрывания.

Совершенствование зарядов для направленного разрушения на основе теоретического изучения их функционирования наряду -о исследованием вопросов зарождения и развития трещин в массиве является актуальной научной и практической задачей. При этом особенно важным представляется изучение вопроса научно-обосно-, ванных требований к свойствам ВВ и разработка методов управления газодинамическими процессами в зарядной полости при использовании зарядов различного химического сост.. за и различных конструкций. Решение этих вопросов позволит установить связь хими-ко-технологичеких характеристик зарядов ВВ с процессами трещинообразования в массиве.

Ц е .л ь работы состоит в разработке научно-обоснованных требований к выбору составов ВВ, рекомендаций по созданию новых специальных конструкций зарядов ЗВ для направленного разрушения горных пород на основе изучения гопросов инициирова-

ния зарядов и методов управления параметрами взрывногй нагруже-' ния зарядной полости

Идея работы заключается в использовании низкоскоростных режимов взрывчатого превращения ВВ в зарядах комбинированных конструкций докритического диаметра, обеспечивающих безбризантное действие и предназначенных для направленного раэр.-шения горных пород.

Методы исследований.

При решении поставленных задач использовался комплексный метод, который включает в себя анализ современного состояния способов направленного разрушения ГП, аналитические и экспериментальные исследования, лабораторные и промышленные испытания зарядов, применение математического и численного моделирования.

Научные положения, выносимые на защиту, фи незначительных изменениях технологических параметров пороховых зарядов процесс горения пороха неустойчив и возможен его переход в детонацию. Это затрудняет прогнозирование результатов взрыва и не позволяет в достаточной мере обеспечитьущро-ведение взрывных работ. . ^лспаСнОегь

Традиционно используемые для направленного разрушения ГП шпуровые и скважинные заряды из бризантных ВВ, функционирующие в режиме детонации, имеют ограниченные возможности снижения бризантного действия на массив аа счет- изменения химико-технологических и геометрических характеристик зарядов. Целесообразно применение зарядов ВВ специальных конструкций, реализующих ниэкоскоростной режим взрывчатого превращения.

Для направленного, разрушения ГП взрывом необходимо использовать типы ВВ и конструкции зарядов, обеспечивающие снижение давления в зарядной полости, скорости нагружения массива и увеличивающие время действия взрывного импульса.

Научная нов и<з н а работы заключается в следующем: На основе математического и численного моделирования уста новлены причины и условия перехода горения пороха в детонацию приводящие,к непредсказуемости параметров нагружения массива.

На основе математического и численного моделирования опре делены предельные возможности уменьшения бризантного действия

- 5 - .

зарядов ЕВ, традиционно используемых для направленного взрывания. '

Предложена схема процесса взрывчатого превращения при осевом инициировании зарядов ЕВ комбинированных конструкций в радиальном направлении. Показано, что надежное функционирование основного заряда в низкоскоростном режиме зависит от детонационных характеристик и размеров инициатора, типа ЕВ и геометрических размеров заряда.

В результате исследования процессов инициирования осесим- . метричных зарядов обоснован переход от торцевого к осевому способу инициирования зарядов ЕВ специальных конструкций, обеспечивающему низкоскоростной режим взрывчатого превращения.

Обоснованность и достоверность научных поломний, выводов и рекомендаций подтверждаются :

- достаточным объемом эксперимен.альных и натурных взрывов, выполненных на модельных материалах и в горных породах;

- корректностью постановок Р'адач и использовании при их решении методов математического моделирования;

- сравнением результатов расчетов по разработанным программам с экспериментальными данными;

- достаточной сходимостью расчетов с результатами опытно-промышленных испытаний.

Практическая ценность работы состоит в

- разработке научно-обоснованных требований к взрывчатым материалам для зарядов специальных конструкций; разработке рекомендаций по созданию конструкций зарядов с осевым инициированием; определении оптимальных размеров реальных зарядов из ВВ "Гранилен" и аммонит АТ;

- совершенствовании методики расчета и создании автоматизированной системы разработки паспортов БВР для отбойки кам-неолоков шпуровым и скважинным методами;

- разработке методик инженерных расчетов для определения амплитудно-временных характерибтик-взрывного нагружения зарядной "олости при использовании -юесимметричных зарядов различных конструкций : И8 бризантных ВВ, пороховых зарядов, зарядов с воздушным радиальным зазором, зарядов из смесевых ВВ, функ-

• - 6 -

ционирующих' в низкоскоростном режиме взрывчатого превращения;

- разработке комплекса программ для проектирования новых ■ конструкций шпуровых зарядов, обеспечивающего расчет параметров ударной волны, распространяющейся через систему промежуточных сред; расчет ударных адиабат сжатия смесевых БВ, определение условий передачи взрывного импульса медду патронами.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанные математические модели функционирования осе-симметричных зарядов реализованы в САПР "ДЩ", САПР "Заряд" НПО "Краснознаменец". Рекомендации по созданию конструкций осесим-метричных зарядов использовались в СКТБ "Технолог" и НПО "Кристалл" при разработке зарядов ЗША и ЗЭТ. Автоматизированная система разработки паспортов БВР применялась при проектировании пара! .тров БВР для отделения камнеолоков от массива шпуровым и скважинным методоми на Ладожском карьере блочного камня.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на:

- научно-технической конференции "Разработка систем моделирования специальных процессов" (Москва, февраль .1990 г);

- научно-технической конференции "Проблемы геотехнической .'и инженерной экологии" (Киев, 17 - 18 марта 1992 г.);

„ - научно-технических совешрчиях НПО "Краснознаменец";

- научных семинарах кафедры разработки месторождений открытым способом и разрушения горных пород Санкт-Петербургского горного института.

.Публикации.' По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Объем .работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на /¿¿страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 1? таблиц, 3 приложений, список Л]",ературы из 111 наименований. .•

Автор выражает благодарность доц. И А. Нефедову, с. н. с. А. Е Мурахину. проф. М. Г. Менжулину, доц. В. А.' Артемову, асс. Е Н. Ковалевскому, с. н. с. А. Е Здьтсвецкому, с. н. с. Е С. Куликову и другим сотрудникам кафедры РМОС и РГП.

- 7 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В работе на основе математического и численного моделирования проведена сравнительная оценка зарядов, традиционно использующихся в технологиях направленного разрушения. Для этого? по разработанным программам рассчитываются параметры взрывного нагружения массива в зависимости от физико-технологических характеристик и геометрических размеров эарядов, типа и размеров забойки, величины радиального воздушного зазора и тем самым теоретически сравнивается воздействие на массив различных составов ВВ и конструкций зарядов.

При взрывании удлиненных нарядов из бризантных ВВ с радиальным воздушным зазором (в предположении мгновенной детонации варяда) изменение давления по длине шпура в различные моменты времени и интегральный импульс давления, действующий на стенки шпура в произвольном сечении, определялись в результате решения задачи о взаимодействии детонационной волны и возникающей волны разрежения, движение которой определяется из системы одномерных уравнений газодинамики и уравнения изэнтропы.

Для реализации данной модели была разработана программа, позволяющая рассчитывать давление и импульс взрыва на стенках зарядной яолости в за-висимисти от величины зазора, плотности и скорости детонации ВВ, длины заряда

Анализ результатов, полученных с помощью этой программы показывает, что при увеличении воздушного зазор-', между

стенкой шпура и поверхностью рис. 1 Изменение суммарного заряда от 0 до 14 т импульс импульса взрыва зарядов из уменьшается примерно в 5 раз ВВ аммонит 6ЖВ при различных ( рис 1). величинах зазора

Однако, снижение бризантного действия взрыва до оптимальной величины при использовании в конструкциях зарядов воздуш-

Л»У

- в -

ного радиального зазора приводит к необходимости ибпользования зарядов с диаметрами, меньшими критического.

Учитывая результаты исследований, направленных на уточнение механизма и отдельных стадий процесса перехода горения в детонацию, разработана математическая модель, описывающая функционирование порохового заряда.. Согласно этой модели возрас тание давления и скорости, фронта горения с течением времени определяется в основном дисперсностью, плотностью заряда и описывается экспоненциальным законом.

В течение времени (0< Ь^о) изменение скорости фронта горения и давления на торце воспламеняемого заряда описывается следующим образом: г . . . '

[УС •?,(*)

где Аи, Ар, В'- параметры экспоненциального закона, которые выбираются на основании экспериментальных данных; 1о- теоретическая постоянная времени экспоненциального нарастания давления; С - коэффициент в законе изменения скорости фронта горения в зависимости от давления.

Величина Ьо определяется из закона пиростатики в предположении, что частицы пороха воспламеняются и горят по полной поверхности: / /

где / - пористость; Аз - удельная поверхность частиц iAsя €(*-у))с1)\ с! - размер частиц, равный диаметру приведенной сферы; - константа в законе послойного горения; ,/> - > плотность пороха;• Тад - адиабатическая температура горения; 12 -' универсальная газовая постоянная.

В ходе расчета в зависимости от параметров заряда определяются время действия отдельных стадий процесса и характер процесса, происходящего в этот период.

Для определения скорости движения забойки и времени ее вылета под действием давления продуктов горения пороха составлялось уравнение движения забойки:

'm^gP * ,

где F(t) - сила давления продуктов горения ка забойку; Ç(t) - сила трения забойки о стенки шпура; G(t) - вес забойки; M(t) - масса части забойки, находящейся в шпуре; z(t) - закон движения забойки.

В результате численного интегрирования этого уравнения определялась картина давлений в зарядной полости в период горения заряда и движения забойки ( Р(Г<) ) и момена1 времени, с . которого начинается истечение пороховых газов из шпура (Тг ).

В предположении изменения остаточного давления внутри полости по изэнтропическому закону, после проведения соответствующих подстановок и численного интегрирования Уравнения

Pi^i) - плотность продуктов в момент'начала их истечения; У - коэффициент изэнтропы; 2?, 2^/- объем заряда и забойки;

- массовый расход вытекающих газов; получается картина давления в зарядной полости в период истечения газов из устья шпура (скважины).

На основе физико-механических характеристик заряда с помощью разработанной программы можно рассчитать время сгорания заряда, время вылета забойки, время действия давления в шпуре до начала истечения, картину давления в шпуре в любой момент времени, распределение интегрального импульса давления по' длине шпура (скважины), максимальное давление на стенках шпура. .

Проведенные расчеты функционирования зарядов"из бризантных и метательных ВВ традиционно используемых конструкций показали, что путем выбора параметров зарпдов ВВ ( тип и размеры забойки, величина воздушного зазора, плотность заряжания) можно влиять на характер взрывн&го нагружения массива. Однако, нел' 1я достаточно эффективно с джать бризантное действие, т. к. увеличение воздушного зазора требует уменьшения диаметра заряда до критического и меньше.

- 10, -

Использование пороховых зарядов, например, не дает возможности варьирования оптимальных параметров взрывного нагружения массива в широких пределах за счет изменения размеров и материала забойки (рис. 2), плотности заряжания (табл.1).

Влияние на режим горения порохового заряда дисперсности, пористости в реальных условиях применения может привести к непредсказуемому переходу горения в детонацию.

№ ПО

т so so

ча i»

■Рис. 2 Влияние длины забойки на Рср в скважине при использований порохового заряда Таблица 1

Зависимость технологических параметров взрыва от плотности заряжания порохового заряда

i

Плотность Ртах Рср Время вылета

заряжания, в шпуре, до вылета за- забойки.

кг/м Ша бойки, МПа мс

1200 497.2 159.1 2. 492

ЮОО 302.5 136.2 2.762

800 283.9 112.7 3.109

-600 198. б 87.26 ^ 3.594

400 124.1 60. 24 4.369

Диаметр заряда - 0.105 м, скорость горения пороха - 400 м/с.

Приведенные на рис.3 графики распространения фронта горения по заряду в завшгтги от его пористости показывают, что для высокопористого заряда при длине не более 3.0 м, наблюдается небольшое нарастание скорости горения (зависимость 1). В остальных' случаях - резкое возрастание скорости горения, которое может привести к переходу процесса горения в детонацию.

г •

з

Для снижения параметров взрывного нагружения, а также обеспечения надежности срабатывания зарядов и безопасности взрывных работ необходимы новые способы управления параметрами взрыва, не нашедшие воплощения в существующих конструкциях зарядов.

Известны конструкции зарядов с ограниченной линейной массой ВВ. которые форш-

Рис. 3 Развитие процесса горения руются в- виде шлангов или

Так, при торцевом инициировании подобных зарядов наличие технологического воздушного промежутка (из-за технического несовершенства узлов стыковки патронов, расстыковки патронов под собственным весом), а также проявление канального эффекта в зарядах с радиальным воздушным зазором являются основными причинами отказов при взрывании. Поэтому представляется необходимым проведение теоретического расчета, позволяющего оценить влияние названных факторов на детонационую .способность ЕЗ для использования полученных оценок при,проектировании зарядов.

Для проведения расчетов по передаче детонации через воздушные промежутки была разработана программа, - реализующая мо. дель инициирования заряда ВВ Еэздушной УВ ( зрывк>.ш газами) в '. режиме поджигания. Температура поверхностного слоя инициируемого ВВ определяется теплопередачей от взрывных газов или от воздуха, нагретого УВ, а также отводом тепла в глубь заряда. В упрощенной постановке процесс теплопередачи можно считать одномерным, он описывается следующим уравнением:

по длине порохового заряда

1 - У - 0.9

2 - Р - 0.6

3 - / - 0. 5

путем стыковки патронов. .'При несомненных их достоинствах при их эксплуатации выявлены и некоторые недостатки.

с граничным условием:

Д1-А(П-т.)

?Х (2)

и начальным условием: при 1-0 Т-То для любого х, х —> «=> Т То для любого

где р, С, - плотность, теплоемкость и теплопроводность ВВ;

- коэффициент теплопередачи; То - начальная температура ВВ; Та^Т - температура теплоносителя и поверхности ВВ.

Условием зажигания является равенство теплового потока на поверхности ВВ и теплового потока от химической реакции

Ы*ЬЫ*). __(3)

где Е - "чергия активации ВВ; 0г - тепловой эффект реакции с предзкспонентом; И - универсальная газовая постоянная;

Для определения времени, необходимого для достижения на поверхности заряда температуры Ткр, лри которой - 02, определялись параметры падающей и отраженной волн, время действия отраженной УВ, температура и скорость волны в момент завершения отражения, изменение температуры поверхности заряда в процессе зажигания и другие параметры. Решение осуществлялось численными методами.

Проведенные расчеты показали, что возможность передачи /взрывного'процесса.слабо зависит от свойств ВВ и определяется, в основном, диаметром заряда и расстоянием между патронами. Скорость детонации и плотность ВВ влияют на время зажигания . заряда. Так, для заряда из аммонита 6ЖВ диаметром 10 мм наличие между патронами воздушного промежутка величиной 1 мм приводит к затухание взрывного процесса по длине заряда.

Наряду с торцевым инициированием известен метод инициирования с помощью ДШ, расположенного вдоль оси заряда ВВ. Этот метод, однако, до настоящего времени не нашел широкого применения из-за'недостаточной теоретической изученности. Известные же из практики результаты носят частный характер.

С позиции приложения нагрузки очевидные преимущества кон-

- .. - 13 -

струкций зарядов при осевом способе инициирования следующие: обеспечивается равномерность действия давления по всей длине шпура; уменьшается давление на стенки шпура ( из-за наличия радиального воздушного зазора) и при этом исключается влияние канального эффекта на детонацию заряда; возможно применение композиционных систем из слоев различных типов ВВ или.инертных материалов.

Но главное, при инициировании процесса взрывчатого превращения по всей длине заряда выбор диаметра-заряда будет определяться только условиями надежного процесса взрывчатого превращения, т.е. появляется возможность использования зарядов диаметром меньше критического.

Для проверки выполнения условий ударно-волнового инициирования от центрального инициатора, а также для оценки влияния образующейся от инициатора УВ на масск.. ГП,■ необходимо знать ее параметры. В процессе исследований была разработана программа для определения основных параметров УВ, распространяющейся через систему различных сред. Алгоритм программы составлен по известным методикам расчета параметров УВ, основанным на решении систем нелинейных уравнений, состоящих из уравнений ударных адиабат сжатия материалов рассматриваемых сред и уравнений, описывающих параметры УВ (с учетом ее затухания) и бе переход из среды в среду в зависимости от геометрии и упругих свойств среды.

Для нахождения параметров во фронте УВ в пористом материале использовались следующие соотношения:

Г %в/> = ('- 8)/(а*/г/) + 0.5-£/и I Рлв/>

где - коэффициенты ударной адиабаты сплошного материала;

£ - пористость материала ( £= /-^¿Ро ); ^о, Ре,- плотность сплошного и пористого материала

Ударная адиабата сжатия смесевого ВВ строилась в предположении, что при распространен1"! УВ по заряду этого ВВ давление во всех компонентам выравнивается, а теплообмен между ними не происходит. Для расчета параметров ударной адиабаты смесе-

вого БВ была разработана программа, в качестве исходных данных для которой задаются характеристики компонентов и процентный состав смеси. Программа, осуществляет варьирование параметров в заданных диапазонах значений и при помощи метода наименьших квадратов осуществляет вычисление исходных величин.

. На основе теоретического анализа процессов функционирова . ния зарядов были сформулированы- основные требования к взрывчатым веществам и зарядам нового типа, основные из которых:

1. Состав и структура используемых ВВ должны обеспечивать низкоскоростной режим взрывчатого превращения; сравнительно, большой объем газообразных ПВ (порядка 500 - 900 л/кг); низкую температуру взрывчатого превращения (1500 - 2500°К).

2. Заряды разрабатываемых конструкций должны надежно функционировать -в шпурах уменьшенного диаметра и давать возможность тонко и в широких пределах регулировать силовые и временные параметры взрывного импульса, как за счет поставки зарядов различного диаметра заводами-изготовителями, так и в процессе заряжания за счет изменения массы заряда, применения забойки.

/ 3. Способ инициирования зарядов должен обеспечивать безотказность срабатывания и, по возможности, равномерное приложение нагрузки по длине шпура

4. Составы ВВ для разрабатываемых зарядов должны удовлетворять требованиям с экономической точки зрения. Новые заряды должны выпускаться серийно в заводских условиях.

Изучение вопросов инициирования осесимметричных' зарядов, анализ основных направлений создания низкоимпульсных систем позволили представить рекомендации по созданию новых типов сме-севых составов ВВ и конструкций зарядов, которые позволяют ре-ч ализовать низкоскоростной режим взрывчатого превращения, более длительный по сравнению с детонацией, и обеспечивают отсутствие УВ в массиве' И! Предлагается создать новые составы на основе МНцА/О^ и ИА/дз , как' наиболее приемлемых с экономической точки зрения компонентов. Требования к разрабатываемым составам на основе этих веществ реализованы при создании высокоплотных составов "Гранилен" и .высокопористых составов аммонит АТ, разработанных в СПГИЧ СПТИ и НПО. "Кристалл".

- 15 - ,

При создании зарядов из этих составов стояла задача выбрать конструкцию и характеристики состава, обеспечивающие надежный режим низкоскоростного взрывчатого превращения. В работе показано, что с точки зрения возбуждения и поддержания такого режима в зарядах предпочтительным является иницииатор, расположенный радиально по всей длине заряда.

Ударно-волновое воздействие, в частности, инициирование при помощи ДШ, может вызвать в ВВ не только детонационные процессы. В зарядах ВВ при ударно-волновом воздействии, меньшем, чем необходимо для нормальной детонации, в зоне, прилегающей к ДШ, могут возникать переходные взрывные процессы. Наприк-эр, низкоскоростой режим взрывчатого превращения (НСР), способный при определенных условиях переходить в режим детонации. Приняв во внимание, что низкоскоростные процессы могут стабильно проявляться на некотором расстоянии от инициатора, появляется реальная возможность воплощения идеи' об использовании зарядов, работающих в режиме отличном о* детонации и горения. Не имеет смысла говорить о линейной скорости НСР взрывчатого превращения, а только о толщине слоя ВВ (Ьк), на котором УВ способна возбудить НСР, и о длительности процесса в слое ВВ. Размеры Ьк можно определить на основании начальны:': параметров инициирующей УВ, законов ее распространения по ВЗ, критических условий воспламенения. Время процесса складывается из времени распространения УВ на расстояние Ь (Ьр), времени задержки воспламенения (Ъз) и среднего времени сгорания гранулы (Ьг).

Не существует строгой-теории, позволяющей достаточно точно рассчитать толщину слоя НСР взрывчатого превращения в рассматриваемых зарядах. Однако, зозможна приближенная оценка влияния таких парамет. ов как плотность и структура заряда, наличие взрывчатых добавок, величина начального инициирующего импульса на толщину слоя заряда, в котором обеспечивается НСР. Проводимая оценка имеет практическое значение при выборе диаметров разрабатываемых зарядов? Показано, что способом поддер-жанп реакции в случае увеличе"чя диаметра заряда, т. е. увеличения толщины слоя Ьк, может служить увеличение горючести ВВ ■ за счет введения добавок из высокобризантных ВЕ

. - 16 -

Для определения толщины слоя НСР взрывчатого превращения в зарядах из аммонита АТ-1, граммонита 79/21, гранулированной .АС была проведена серия экспериментов, которые показали, что для различных ВВ в воне 7 - 15 мм от осевого инициатора наблюдается вынужденный низкоскоростной процесс взрывчатого превращения, который затем переходит в самоподдерживающийся или затухает. В результате экспериментов и теоретических расчетов установлено,^ что для разрабатываемых зарядов устойчивый НСР взрывчатого превращения возможен при дгаметрах зарядов 12 - 27 мм. Поэтому для отработки параметров буровзрывных работ были выбраны два типа манговых зарядов из аммонита АТ с осевым инициированием: диаметром 14 мм (ЗША-14) для шпуров, диаметром 25 мм (ЗША-25) - для'скважин, разработанные в НПО "Кристалл".

Взрывчатое разложение составов "Гранилен" в низкоскоростном режим- можно также осуществить, используя осевое инициирование ДШ. Однако, процесс возбуждения реакции в зарядах из высокоплотного эластичного ВВ "Гранилен" имеет более сложный характер. Для инициирования режима детонации в таких зарядах требуется сильная УВ, кроме того, критический диаметр зарядов из ВВ данного типа составляет 70 - 100 мм, в то время как разрабатываемые заряды предназначены для шпуров малого диаметра ( 2842 мм ). Вероятно, картина взрывчатого превращения заряда из ВЬ "Гранилен" следующая. Под действием ПД от центрального инициа-' тора происходит растяжение заряда. При этом основное влияние оказывают растягивающие напряжения, под действием которых происходит образование радиальных трещин,, разрушение заряда ( по радиусу); .воспламенение и взрывчатое превращение отдельных частей, сопровождающееся выделением большого количества газов.

В целом процесс взрывчатого разложения зарядов "Грани-лен"зависит от совместного воздействия многих факторов и для теоретической оценки условий срабатывания заряда нужно рассчитать процесс трешиноо^оазования в заряде, обосновать диаметр заряда и надежность способа инициирования, рассмотреть влияние добавок высоко'Зризантных ВВ, определить влияние внешних условий. Для обоснования диаметра заряда и определения величины энергии, затрачиваемой на его разрушение, была разработана ма-

тематическая модель и -программа расчета, которая позволяет определить условия нагружения осевой детонацией цилиндра и рассчитать процесс трещинообразования в нем. Для воспроизведения нагрузок от детонационной волны от ДШ и движения цилиндрического заряда использовалась следующая модель.

Уравнения механики сплошной среды в линейных лагранжевых переменных для продуктов детонации имеют вид:

С fi-'fi-L ¿Z. • £и_ - - Л- iL . it--»/. -r r м ' "IT - л я эх ' дГ

9(ф) . f^ „/» ; ТГ- —' (*/)/>•■ у

где J) , и, Р. Е - плотность, радиальная Скорость, давление и внутренняя энергия ЭД; Л, ? - лагранжева и эйлерова координата; для материала цилиндра : .

О - О 1 h . / Г дл (Га-ft . Рт _ г>.

Не.-Л & дя > J? - Ле А ЭЯ />е? ' д* " '

[W V*'«*'.

где J>e, V - плотность и радиальная скорость основного заряда; (г - модуль сдвига; £г > -. радиальная и тангенциальная" деформации; 5» , S9 г Sa - компоненты девиатора напряжений.

В результате работы программы определяются время, скорость движения границ цилиндра, внутренний и внешний текущие радиусы цилиндра, энергетические характеристики системы, давление в ПД, компоненты тензора напряжений .

Заряды из ВВ "Гранилен" созданы в СПбТ/. совместно с СПбГИ им. Г. В. Плеханова и представляют собой комбинированный патрон, состоящий из ДШ и эластичного монолитного трубчатого заряда, выполняющего роль демпфера-газогенератора. ДШ расположен осе-симметрично в гладком канале трубчатых зарядов без оболочки, способных перемешаться вдоль шнура и фиксироваться на нем. Заряды из ВВ "Гранилен" имеют :.'аружный диаметр и-20 мм» отверстие для ДШ, диаметром 6.1 мм, линейную массу 100 - 500 г/м.

- 18 -

. Для определения параметров ^ ( взрывного нагружения массива за- цд^ рядами ЗЭТ и ЗША были разработаны математические модели и расчетные программы.

На* рис. 4 показано изменение суммарного импульса взрьща, соз- 0 ^ даваемого "зарядами ЗЭТ-17 в вшу-ре диаметром '42 мм в зависимости 02

от длины заряда- •-.-', .....

В табл. 2-3 приводятся рас- ' ТЬ £ м

<■ четные величины технологических '

гпраметров взрыва зарядов ЗША Рис. 4 Изменение суммарного для различных условий взрывания, импульса взрыва в щпуре при

использовании зарядов ЗЭТ-17

Таблица 2

Параметры взрыва зарядов ЗША-14 в шпурах различного диаметра

Диаметр. Ртах Рср в ниж- Время Суммарный

шпура в шпуре ней части действия импульс

шпура давления взрыва

Mtil ЫПа • Ша • мс н«с/ме

42 33.1 ,23.4 . 10.03 1.14-Ю5

.36 : 45.5 31.7 9.71 1.29-10*

32 58.3 40.1 9.43 1. 44-10х

28 • 79.2 53.5 9.13 1.62«10У

Длина 'забойки - 0.2 м, длина шпура - 3 м, длина заряда -2.8 м

. Проведенные расчеты показали, что применение эластичных Трубчатых зарядов ЗЭТ и шланговых зарядов ЗША. позволяет в. широких пределах.регулировать параметры нагружения массива и при этом прогнозировать техногенное трешинообразование в породе за пределами плоскости разрыва. . •

Таблица 3

Параметры взрыва заряда ЗША-25 в скважине диаметром 105 мм в зависимости от длины забойки

Длина забойки м Рср в нижней части скважины МПа Время действия давления мс Суммарный импульс взрыва . 2 н-с/м

1.2 31.2 35.74 2. 90-10*

0.8 30.4 31. 52 2. 54-10*"

0.4 . 28.9 27.54 2.11-10*"

0.2 27.5 24.12 1. 76-10*'

п.О 31.7 11.04 1.20-I0f

3 рамках диссертационной работы реализована на ЭВМ автоматизированная система разработки паспортов БВР для,, отбойки камнеблоков шпуровым и скважинным методами, позволяющая рассчитать основные технологические параметры БВР и на их основе составлять паспорт БВР для конкретных условий взрывания. Система включает в себя несколько программных модулей, в частности:

- модуль ввода исходных данных;

- модуль диалога с пользователем и управления" работой системы;

- модуль расчета основных технологических параметров БВР;

- модуль печати отчета и др.

В качестве примера промышленного использования трубчатых зарядов из ВВ "Гранилен" приводятся результаты расчета технологических параметре-, БВР при отбойке блоков шпуровым методом-, (на примере гранитов месторождения к/у "Кейносет"). ■

Использование данных зарядов позволяет снизить расходы по буровзрывным работам-на 30 %, а объем бурения ( по сравнению*с применением) ДШ в два раза, прй этом выход блоков увеличивается нч 2.5 - 6.5 % (табл.4). - -

Таблица 4

Выход блочного камня по карьеру "Ладожский" в 1991-92 гг.

Нэмера забоев Тип ВВ Объем взорванной горной массы, м Выход блочного камня

м %%

N 1 порох ЗША-25 2700 6850 270 855 10 12.5

N б порох ЗША-25 1500 • 10800 188 1590 12.5 14.7

N 7 порох ЗША-25 3200' 34950 300 6600 9.4 16.7

Всего порох ЗША-25 7400 52600 758 9045 10.6 14.6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ " В диссертационной работе дано научное обоснование конструкций осесимметричных шпуровых и скЕакинных зарядов для направленного разрушения ГП, обеспечивающих ресурсосберегающие технологии при контурном взрывании, отделении камнеблоков за счет сохранения естественной целостности массива за пределами плоскости разрыва. При этом использован принципиально новый ^ подход, заключающийся в использовании низкоскоростных режимов взрывчатого превращения в зарядах специальных конструкций малого диаметра.

Основные научнче и практические результаты работы 1. На основе разработанных моделей и программ функционирования из бризантных ВВ показана невозможность дальнейшего снижения бризантного действия на массив зарядов из традиционнно используемых составов ВВ за счет варьирования их физико-химических и технологических параметров. Так, организация воздушного радиального зазора в шпуровых зарядах с целью снижения.

бризантного действия приводит к необходимости использования зарядов с диаметром, меньшим критического.

2. Шказана нестабильность процесса горения пороха и возможность его перехода в детонацию при незначительных изменениях технологических параметров заряда. Уменьшение пористости заряда и увеличение его плотности, например, способствует резкому увеличению скорости фронта горения (о? 400 до 1300 м/с).

• 3. Разработан комплекс программ для проведения количественных оценок при проектировании новых конструкций шпуровых зарядов, обеспечивающего расчет основных параметров ударной волны, распространяющейся чере~ систему любых сред; расчет ударных адиабат сжатия смесевых ВВ, определение условий передачи взрывного импульса между патронами.

4. На основе матетатического и чксленногомоделирования показано, что наличие технологического воздушного промежутка при стыковке патронов ВВ приводит в случае торцевого инициирования к снижению вероятности передачи взрывного импульса при уменьшении диаметра заряда и незначительном увеличении величины промежутка Обоснован переход от торцевого к осевому способу инициирования зарядов БВ с точки зрения конструкции заряда и с точки зрения надежного процесса взрывчатого превращения.

5. Разработана научно-обоснованные требования к взрывчатым материалам для зарядов комбинированных конструкций докри1-тического диаметра, состоящих из детонирующего шнура и эластичного монолитного трубчатого заряда или шлангового огряда в полиэтиленовой оболочке из гранулированного ВЕ В качестве ВВ для таких зарядов предложены составы на основе КЛ% , реализующие низкоскоростной режим взрывчатого превращения.

6. На основе теоретического и эксперт*. чтального изучения вопросов инициирование зарядов предложена схема протекания процесса взрывчатого превращения в радиальном направлении при осевом инициировании заряда ВЕ Показано, что толщина слоя ВВ, на котором возможен стабильный низкоскоростной режим, зависит от параметров инициирующей ударной водны, законов ее распространения, критических условий воспламенения ВВ.

7. Определены геометрические размеры зарядов реальных кон-

струкций. Установлено, что для обеспечения полноты Срабатывания шланговых зарядов иг аммонита АТ-1, их диаметр не должен превышать 25 мм (для зарядов из гранулированной аммиачной селитры -15 мм). Диаметры варядов из ВВ "Гранилен"- 1,2,3 - 11.5, 20, 15 мм, соответственно.

8. Разработана программа расчета амплитудно-временных характеристик взрывного нагружения массива зарядами ЗША и ЗЭТ.

9. Реализована -на ПЭВМ и внедрена на горных предприятиях автоматизированная система разработки паспортов БВР для отбойки блоков шпуровым и скважинным методами.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Агеев М. В, Мальцев К А, Мурахин А. Н, Рухлина Е В, Рыжухин 0. А. Зажигание зарядов ВВ продуктами горения пиротехнических составов.//В сб.: Труды ЛТИ, хи.вып. 3, Ленинград, 1990.

2. Горный Е А. , Мальцев В. А., Мурахин А. Е , Рухлина Е Е , Ры-лухин О. А. Возбуждение детонации заряда ВВ при воздействии инициирующего импульса.//В сб.: Труды ЛГИ, ХЫ, вып.3, Ленинград, 1990.

3. Мурахин А. Е , Нефедов М. А., Рухлина Е Е Математическая модель функционирования шпуровых и скважинных пороховых зарядов. // Физические процессы горного производства '// Межвузовский сб. .Санкт-Петербургский горный инс-т,СПб, 1992,с. 50-52.

4. Рыяухин 0. А., Рухлина Е Е , Нефедов' М. А. Перспективы расширения ассортимента промышленных ВВ с малым критическим диаметром и низкой скоростью детонации.//Записки ЛГИ, 1991, т. 125,

с. 87-91.

'5. Рухлина Е Е Обоснование метода управления взрывным импульсом шпурового заряда //Тезисы докл. науч. -техн. конф. /Проблемы геотехнической и инженерной экологии (Киев,1992.-с. 30-31)