автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка рациональных параметров забойки с учетом времени ее движения по шпуру и истечения продуктов детонации

Р Г Б СП

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАБОЙКИ С УЧЕТОМ ВРЕМЕНИ ЕЕ ДВИЖЕНИЯ ПО ШПУРУ И ИСТЕЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ч

БАРАНОВ Иван Михайлович

УДК 622.268.4:622,235

Москва 1994

•Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. К'РЮКОВ Г. М.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. ШУПЛИК М. Н., канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр. Г О ГУЛ Я М. Ф.

Ведущее предприятие — ИГД им. А. А. Скочинского.

Защ^гг;а состоится « . » .

(Н. час.

11994 г.

на заседании специализированного' совета К-053Л2.05 Московского горного университета по адресу: 117935, ГОП, Москва, В-49, Ленинский проспект. 6, , п ^

Л- ?УО

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . . . »..... 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. В настоящее и будущее время, несмотря на переживЕ4)мне экономические трудности в горнодобывающей промншшн--ности, объем проходки горных выработок исчисляется и будет исчисляться десятками метров в год. При этом ужесточение экономических требований в горном производстве повлечет за собой повышение эффективности темпов проходки.

Вместе с тем, до настоящего Бремени все еще возникают сомнения в необходимости применения забойки при БВР в горнодобывающей промышленности, как одного из факторов, позволяющих повысить КВД взрыва и КИН1 при проходке выработок. Правда, эти сомнения большей частью обусловлены различными техническими и технологическими причинами.

Отмену забойки не всегда оправдывают только экономическими соображениями, которые, иногда могут показаться достаточно вескими для местных специфических условий, но иногда делаются еще и попытки теоретически обосновать и экспериментально подтвердить незначительность влияния забойки на.эффективность взрыва.

Практически отказ от забойки приводит не только к повышении расхода ВВ, но и к существенному увеличению количества шпуров (скважин) или снижению КШ В обоих случаях возрастают затраты на буртике, снижается производительность труда.

Согласно другим представлениям (которых придерживается большинство взрывников теоретиков и практиков) применение забойки приводит к:

- предотвращению потерь энергии в процессе детонации заряда ВВ, обеспечивая большую полноту его детонации, и внсвобоздению максимальной величины его потенциальной энергии;

- увеличению аффективной длины взрывной волны и начального давления газов взрыва. В соответствии с теорией разрушения горных пород (ГП) отраженной волной, именно эффективная длина волны определяет величину л.н.с., преодолеваемую взрывом заряда ВВ;

- увеличению длительности поршневого воздействия продуктов детонации (ПД) на стенки зарядной полости и Длину радиальных трещин, образовавшихся при взрывах зарядов и т.д..

Для выяснения фактической стороны вопроса о влиянии забойки на эффективность разрушения ГП при взрыва удлиненного заряда необходимо осуществить временное сопоставление процессов истечения ПД из шпура-с различной забойкой с процессами деформирования ГП. В нас-

тошцее нремя существует достаточно правдоподобная теория разрушения ГП, разработанная в ИФЗ РАН под руководством проф. В.Н. Родионова.

Поэтому установление закономерностей снижения давления в шпурах при взрыве в них. удлиненных зарядов с различным! видами забойки вследствие истечения 1Щ и разработка ее рациональных параметров, обеспечивающих наибольшее разрушение ГП, является актуальной научной задачей.

Целью" работы является установление закономерностей изменения давления ПД в шпуре с учетом процессов движения забойки и истечения ГЩ для определения рациональных парамат^ров взрывной запрессовки шпуров и соответствующего паспорта БВР,* обеспечивающих повышение эффективности разрушения ГП взрывом при подземной проходке выработок.

Идея работы заключается в использовании установленной кинематики движения различного вида .забоек и снижения давления в полости по мере истечения 1Щ для определения рациональных параметров забойки и взрывной запребсоБки устьев шпуров.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна состоят в том, что:

- установлены закономерности изменения давления ЦЦ в шпурах пр~ взрывах удлиненных зарядов с применением обычных видов забойки, которые условно подразделяются на три этапа: на первом этапе длительностью давление в ПД практически постоянно и происходит вывод забойки из неподвижного состояния под действие упругих волн, генерируемых в ней ПД; на втором этапе длительностью %г имеет место движение забойки из шдура, сопровождаемое снижением давления; на третьем этапе происходит квазистационарное истечение ПД длительностью т3;

- установлено влияние плотности и гранулометрического состава забоек на динамику изменения давления при взрыве удлиненных зарядов в шпурах;

- определены рациональные 'параметры для взрывной запрессовки шпуров (скважин) с учетом времени формирования полей квазистатических напряжений во взрываемой горной породе;

- разработана методика численного расчета процесса-истечения ВД из шпуров (скважин); •

- разработана методика экспериментального определения зависимости давления внутри шпура от времени истечения и закономерности движения забойки;

- разработана "Методика по определению параметров БВР с исполь-

зовэнием взрывной запрессовки устья шуров".

Обоснованность и достоверность научных положений, • выводе и и рекомендаций подтверждаются:

- кг^шетвенннм согласованием времени расчета истечения ДЦ из шуров па предложенной автором численной модели с результатами точных решений других, авторов для отдельных предельных случаев;

- достаточным объемом экспериментальных наблюдений и кзчествсм тарировки регистрирующей аппаратуры, обеспечивающей определение параметров истечения ПД в модели шпура е зависимости от времени истечения, параметров забойки с надвгностыо 95 и величиной относительной погрешности 10+15 %; '

- сходимостью расчетных значений давления в шпуре на всех этапах истечения с результатами натурных измерений в лабораторных условиях при относительной погрешности 8+10 %•,

- положительными' результатами использования методики при проектировании БВР для проходки подземных выработок.

" Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении обобщающих закономерностей истечения ПД из опуров (скважин)' при взрыве в них удлиненных зарядов ВВ с учетом движения забойки, а также значений рациональных параметров взрывной запрессовки с учетом механических свойств ГП и параметров выработки.

Разработаны соотношения, позволяпцив осуществить инженерные расчеты давления во взрывной полости в зависимости от времени как при свободном истечении ПД, так и с применением забоек из различных материалов.

Практическое значение работы заключается в установлении рациональных параметров забойки и взрывной запрессовки устьев шпуров и скважин, позволяющих существенно повнсГить эффективность действия ПД при взрыва удлиненных зарядов ВВ, обеспечивая формирование квазистатических полей напряжений около зарядов и почти максимальный эффект поршневого действия взрыва. Разработана "Методика по определению параметров БВР с использованием взрывной запрессовки устья шпуров".

Реализация выводов и рекомендаций работы-. "Методика по определению параметров БВР с использованием взрывной запрессовки устья шпуров" использовалась ИГД-им.А.А. Скочинского при выполнении научно-технической программы "Уголь России", в частности,' при Енедрэнии новой технологии взрывных работ при проходке подготовительных выработок на шахте им. Ленина" ПО "Кизелуголь".

Результата испытаний новой технологии показали, что по сравнению с существующей технологией параметры паспорта БВР, рассчитанные

по данной "Методике___обеспечивают увеличение на 12->15Ж объема'

врубовой полости и увеличение НИШ на 15+18^ процентов на каждой заходке. Паспорт ВВР, спроектированный на основе данной "Методики.." принят для проходки штрека J6 6QI указанной шахты.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной школе по физике ударных волн (Азау, 198?) и на заседании кафедры ИШ МГТУ.

Публикации. Ш теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы. Диссертация состоит'из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 200 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 84 наименований и приложения,

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При использовании забойки в БВР наиболее важным является определение ее параметров, таких, чтобы с наименьшими экономическими и те дологическими затратами она обеспечивала достаточно длительную задержу снижения давления ПД в шпурах (Скважинах), при которой происходило бы надежное формирование квазистатических шлей напряжений и соответствующее разрушение ГП. Вопросами определения- рациональных параметров забойки занимались такие ученые, как В.А. Ассотюв, Ф.А. Баум, Т.П. Демидвк, Ы.Ф. Друкованный, В.Н. Кутузов, Г.Ы. Крюков, С.П. Левчик, 3.0. Ыиндели, В.Н. Ыосинец, Г.П. Покровский, B.C. Степанов, В.Н. Тарасенко и др.

Несмотря на имеющиеся теоретические .и .эмпирические соотношения для определения рациональных параметров забойки не всегда учитывается ряд факторов: свойства материала забойки, ее распор и переуплотнение, влияние направления инициирования на движение забойки, изменение давления в шпуре по мере истечения ЦЦ и т.п., хотя предложенные формулы позволяют производить приемлемый для практики расчет параметров забойки для конкретных условий БВР.

В то же время, обобщенные соотношения на основе 1&огофзктор-ных экспериментов громоздки и неудобны для практических расчетов, причем влияние отдельных факторов неоправданно занижено или не учитывается совсем. Кроме того, до настоящего времени не существует обобщенной теории влияния параметров забойки, ее движения и исте-

чения ПД на эффективность взрыва удлиненного заряда в шпурах (скважинах). Теоретические оценки влияния забойки на эффективность раз- -рушения порода ЕзрнЕОМ никак не связаны с формированием полей напряжений и процессами разрушения пород взрывами зарядов 03. Нет четкого представления о методах определения параметров истечения ПЦ, кинематики движения забойки и их взаимосвязи с формированием . полей квазистатических напряжений в породе, разрушаемой взрывом.

Исходя из состояния и изученности вопроса и направленности диссертации били приняты основные задачи:

1. Установить закономерности Билета обычных видов забойки из шпуров и истечения ПД из взри/вной полости для оценки влияния этих процессов на характер распределения напряжений около шпуров и времени действия этих напряжений.

2. Определить рациональные параметры для взрывной ззпрессовки шпуров (скезжин) с учетом времени формирования полей квазистатических напряжений во взрываемой горной породе.

В свою очередь, при решении этих задач предусматривается: разработать методику численного расчета процесса истечения ПД из шпуров (скважин);

разработать методику экспериментального определения зависимости давления внутри шпура от времени истечения и законотлерности движения забойки.

В результате выполнения этих исследований предполагается: определить зависимости для приближенного инженерного расчета параметров процесса как при свободном истечении ПЦ, так и с применением забоек из различных материалов;

разработать методику для определения параметров паспорта БВР с использованием взрывной запрессовки устья шпуров.

Закономерности движения забойки и истечения ПД из шпура. В первом цикла исследований устанавливались закономерности истечения ПД из шпура на основе численной модели этого процесса. Рассматривалось одномерное плоское нестационарное истечение ЦЦ из шпура, т.е. такое, которое зависит от одной пространственной координаты X и времени г. Рассматривался случай обратного инициирования, что обусловлено повышением эФХвктиености действия взрыва за счет увеличения длительности еоздвйстеия на породу ПД.

. Для определения параметров течения необходимо проинтегрировать систему одномерных нестационарных уравнений газовой динамики с учетом граничных условий. Соответствующие уравнения газовой динамики в

лягрзыкеьзй системе координат при наличии потерь кинетической и потенциальной энергии принимают вид: сохранение момента количества движения -

flu ö(p+q) Ä.u|u|

3t flh 2d

(I)

сохранение массы

сохранение энергии

1 от

v -- = - ; (2)

Р Я* f

de öu Xu 7 р Т-Т

«-(p+q)----г— - —9 . (3)

öt öh 2d 7-1 Т Pr

где e=G Т; ör/öt=u;

e - внутренняя анэргия, Дх/моль;

Cv- удельная теплоемкость при постоянном объеме, Да/(К«моль); г - эйлеровский радиус, м; t - время, с; " p,u,v,T - давление, скорость, удельный объем и температура ОД, Па, м/с, м3/етч К; »

q - искусственная вязкость, Па;

7 - отношение удельных тепловмкостей, в общем случае зависящее от текущего значения плотности газовой смеси; h - лагрзнжевая координата;

X - коэффициент трения о внутреннюю поверхность шпура; d - диаметр шпура, м. Левое граничное условие соответствует случаю газонепроницаемой стенки, т.е. величина массовой скорости и на левой границе всегда с течением времени принимает значение, равное О. Граничное условие на срезе шпура записывается в вйде дополнительного слагаемого в уравнении (X), характеризующего сопротивление ЦЦ на срезе при их сверхзвуковом истечении:

flu

-=Vp-p0> ,'(«■

где коэффициент пропорциональности, определяемый количеством газа, вовлекаемого в движение внутрь шпура волной разрежения (величина KQ предполагается неизменной); р0- атмосферное давление, IIa.

Для аппроксимации уравнений газовой динамики использовалась конечно-разностная, условно-устойчивая схема типа "крест" с искусственной' вязкостью.

Предложенная численная методика Сила апробирована при'решении задачи теории сильного точечного взрыва и для расчета избыточного давления, возникающего в цилиндрической полости при взрыве газовых смесей. Исследования показали, что предложенная последовательность численного моделирования обеспечивает величину относительной погрешности не более 15% по сравнению с аналитическими и экспериментал» ними данными (табл.1), что и позволит применить эту модель для исследования истечения ГЩ при взрыве удлиненного заряда ВВ.

Таблица I

Распределение скорости и плотности за фронтом ударной волны при сильном точечном взрыве в воздухе при Евзр=5«Юа Дк

г/гуп 0,9 0,7 0,5 0,3 '

и ■ % т.р. 0,86 0,63 0,42 0,24

ч.р. 0,95 0,55 0,46 . 0,27

0,% +10,5 -12,7 +14,3 +12,5

р Рув т.р. 0,52 0,18 0,06 0,015

ч.р. 0,55 0,2 0,07 0,013

а,% +5,8 +11 ,1 +16,6 -13,3

Однако на процесс разрушения порода взрывом оказывают существенное Елияние физико-технические параметры забойки (длина, плотность, сыпучесть, козф&тцкент трения и т.д.) и теоретическая оценка этих факторов требует значительных трудовых и материальных затрат. Поэтому было решено влияние этих параметров на время истечения IUI, снижение давления в полости определять экспериментально на модели*. При этом было решено привести в соответствие используемую модель к реальным условиям взрыва удлиненного заряда в шурах в крепких породах. При постановке экспериментальных исследований исходили априори из-того, что истечение ГЩ после вылета забойют в принципе незначительно отличается от истечения ПД при взриие такого же заряда без забойки. Взрыв заряда в ипуре моделировался в стальной цилкндричгзк-

кой труЗе дайной 1,04 м внутренним диаметров 0,036 м с вмонтированными в неё "заподлицо" тремя мембранными датчиками давления, один из которых расположен в закрытом наглухо торце трубы, а два других закреплены на предохранительных фланцах на боковой поверхности модели на расстоянии 0,26 и 0,71 м от закрытого торца. Взрывчатое вещество ТЭН насыпалось в предварительно подготовленную оболочку из плотного полиэтилена внутренним диаметром 2 мм и длиной 0,8 м. Для устранения изгибов при заряжании на оболочке закреплялись четыре равноотстоящих кольца из плотного картона, позволяющих заряду располагаться строго по оси модели. |

Измерение давления при соответствующей деформации мембраны датчика осуществлялось при помощи электрического индикаторе ИД-2и, показания которого регистрировались на осциллографе Н-117/1.

При взрыве с забойкой предусматривались дополнительные условия проведения экспериментов. Для этого в схему измерений были внесены следующие*изменения (рис.1):на открытый торец модели крепилась муфта с тремя штангами вдоль образующей модели, на которых были установлены медные проволочки диаметром 0,5 мм на расстоянии 0;0,05 и 0,1 м от среаа модели в направлении вылета забойки, соединенные че;эз переменные сопротивления номиналом 0,015; 0,22; 2,1 и 3,5 МОм с осциллографом для регистрации времени вылета забойки в момент разрыва этих проволочек. В качестве материала забойки длиной 0,2 м использовались дерево, свинец и песок.

Полученные экспериментвльные результаты (рис.2) позволили установить, что с применением забойки процесс истечения ЦЦ из модели происходит в три этапа. На первом этапе длительностью %х происходит вывод забойки из неподвижного состояния под действие упругих волн, генерируемых в ней ПД. На втором этапе длительностью 1г имеет место движение забойки из шпура, после чего на третьем этапе происходит квазистационарное истечение ЦЦ длительностью т3, который, в свою очередь, подразделяется на два этапа: во время первого этапа длительностью -Ц наблвдается распространение особой волны разрежения по ЦЦ от устья шпура с резким скачкообразным уменьшением давления, в во время второго этапа длительностью наблвдается квазистационарное истечение ЦЦ из шпура с постепенным уменьшением в нем дввления. Кроме того, обнаружено подобна форм зависимостей давления от времени при свободном истечении ЦЦ после вылета забойки и истечением ЦЦ без нее, кроме .случая свинцовой забойки, когда играет существенную роль фактор противодавления при

Схема экспериментальной установки для измерения давления в модели шпура и времени вылета забойки

I - датчики ДД-Ю для измерения давления; 2 - индикатор ИД-2и; 3 - блок питания; 4 - эсцил- . лограф Н—117/1; 5 - блок питания; 6 - генератор звуковых частот; 7 - трансформатор; 8 - вольтметр; 9 - муфта с проволочками для регистрации вылета забойки; 10 - блок сопротивлений

Рис Д

Осциллограмма

регистрации времени изменения давления в модели шпура и движения песчаной забойки при взрыне

ее вылете из модели.

Обобщающие закономерности движения забойки и истечения ПД из модели шпура. Анализ экспериментальных результатов позволил установить, чтс^ время т1, в течение которого происходит вывод забойки из неподвижного состояния, определяется тем, что начало перемещения различных частей забойки происходит постепенно по маре вовлечения их в движение и, следовательно, перемещение забойки как целого начнется только после того, как продольная волна сжатия пробежит по ее длине по крайней мере 3+4 раза.

В качестве базисных параметров для рассматриваемого процесса принята 1, р3, Ср так, что слйдуя тс-теореме теории подобия и размерности, время т1 может быть представлено в виде некоторой зависимости:

1

т = - 7

ср

Р р й С ь

Р3°р Рз 1 рЛ 1

(5)

где, учитывая характер данного процесса, была введена величина Ь -толщина пограничного слоя. Максимальное значение Ь не превышает

которое и было принято за основу. При сделанных допущениях я физической сущности рассматриваемого явления отношения <1/1 л Ь/1 постоянны в течение всего времени т1 и поэтому зависимость (5) ог , них дальше не определялась. Посла математической обработки экспериментальных данных зависимость (5) выглядит следущим образом:

г

1р С , Р -5 р с ,

^»ЗДб.-^е [1+9,48 р ] [1+8,44*10 -^-2] (6)

Процесс движения забойки по шпуру- определяется законами сохранения енаргии и импульса с учетом потерь на трение: для сплошной забойки -

г

ах

т—* вРП-О) . СП

3 йхг

где Б- площадь поперечного сечения шпура, иг;

Р- давление в Щ;

в- коэффициент трения скольжения (для дерева и свинца 0 равен • 0,45 и 0,1 соответственно), для сыпучей забойки -

а! П- к* (1-г)1 р —_ я J—.-и

где к*- удельная величина коэффициента трения (для пескв-0,86 м~1); 1 - длина "забойки ,м;

•в - удельный вес материала забойки (для песка -6=1600 кг/м3). . Решением дифференциального уравнения (7) является интегральная кривая, уравнение которой с начальными условиями х(0)=0 выглядит следующим образом:

ЗП-ОЭРг2

x а -=- , м , (9)

а решением ■ уравнения (8), удовлетворящему тем же начальным условия' является зависимость 1;(х):

— 1П ср(х)+/срг(х)-кр(х) ' +1

V ' к*р

, с; (10)

к*х

ф(х) =- ; <К1й .

1-Х 1

При атом изменение давления р в шнура, обусловленное расширением ПД, рассчитывается по следующей формуле:.

Г ь -1 лт р = р]—I .

^ X -1+т ■>

,7

(И)'

1 -1+х '

где Р^ давление, установившееся после начала движения забойки;

7- показатель изоантропы ОД.

Для того, чтобы полученные экспериментальные данные можно было использовать для оценки реального процесса истечения ДЦ из взрывной полости при взыве удлиненного заряда в шпуре (скважине), в соответствии с теорией размерности и подобия необходимо полученные вкспери-ментальные зависимости выразить в безразмерных величинах и определить область значений этих безразмерных величин, в которых данные закономерности являлись бы обобщающими.

Для установления обобщающих закономерностей истечения ЦЦ рассматривался безразмерный критерий подобия % в йбласти сверхзвуково-

го течения газа в соответствии с законом сохранения количества дви-яэния с привлечением результатов численного расчета свободного истечения:

APAt

■ X - —- , (12)

р1(г±+Дг1)|AU|

где ДИ = — S P^V )Дг,; 11 = J р.Лг.;

М 1=1 ' 1 1=1 1 г

г±- текущее значение эйлеровой координаты, соответствующее J-му слов времени, м;

i 3-1

Дг - приращение координаты за промежуток At=t -t , м;

усредненное значение плотности газовой смеси, заключенной между дном шпура и сечением с координатой г , кг/м3; М - удельная масса этого количества газа, кг/м2. В результате анализа (12) определена общая зависимость времени истечения ПД'в произвольном сечении шпура при взрыве в нем удлиненного заряда ВВ от безразмерных параметров ж, п и времени детонации

Г -Г °'2 1 2 1 L-X

Vt0(l.1T^n[l+ -—J+ 33,36s - 60,08зе + 26,72| + (13)

где х - расстояние от устья шпура до исследуемого сечения, м; . t Н - число реперных точек; L - длина шпура, м; о - скорость звука в ПД, м/с; п = НИ; п= n/Н; К ае <2. При атом изменение давления в ПД подчиняется закону:

Р

Р= — , Па . (14)

ж"

Полученные зависимости (6)+(14) с достаточной для практики точностью в пределах 15$ величины относительной погрешности позволяют определить динамику движения забойки и истечения ПД из шпуров, что подтверждается сопоставлением с данными численного моделирования и экспериментальными.результатами исследования на модели шпура.

Определение рациональных параметров забойки с учетом времени ее движения по шпуру и истечения ПД. Под рациональным параметром забойки подразумевается ее длина, способная обеспечить задержку

t , которая принимает следующий вид:

истечения ГЩ из шпура по крайней мере в области, прилегающей к его устью, на величину а (время квазистатического нагружения ГП взрывом), в результате чего будет практически полностью реализована потенциальная возможность взрыва удлиненното заряда на максимальное обеспечение формирования зоны мелкодисперсного дробления до величины

, позволяющая сформировать около заряда квазистатическое поле напряжений. Величина тп определялась по процессу деформирования ГП в ближней к шпуре зоне при камуфлетном чвзрыве заряда удлиненного ВВ, согасно теории проф. В.Н. Родионова.

Исследования проводились для песчаника крепостью 1=10 и гранита с 1=14 для зарядов ВВ АМ Ж5ЖВ и гранулита АО-8 соответственно в шпурах глубиной 3 м (диаметр 42 мм) и скважинах глубшой 15 м (диаметр 160 мм). В качестве забойки рассматривалась запрессовка устья шпура (скважины) взрывом расположенного рядом запирающего заряда ВВ. В предыдущих экспериментальных и опытно-промышленных исследованиях длина запрессовочного заряда принималась авторами равной длине патрона, то есть запрессовка устья шпура осуществлялась взрывом только этого патрона. Поэтому и была поставлена задача определить рациональную длину заряда, соответствующую эффективному размеру взрывной запрессовки

В случав взрыва основного заряда АЫ Л6ЖВ длиной 2,25 м исследуемые величины длин запрессовки составляли 0,25, 0,5 и 0,75 м. Для каждого из этих значений 1 по формулвм (6)+(14) определялось время задержки валета забойки, ее движения и истечения ДЦ из шпура т в разлцчшх егоюечениях на расстоянии 0, 2,25 и 3 м от дна шпура. Эффективная длина запрессовки определялась из сопоставления зависимости т(1) и величины тп, которая в данном случае равна 12 . мс (рис.3). Аналогичные расчеты проводились для зарядов АС-8 длиной 9 м с величиной запрессовки от I до 6 м. При этом время квазистатического нагружения гранита тп составляет приблизительно 26 мс.

Как показано в ряде исследований, снижение давления р в шпуре приблизительно в 2*2,5 раза для пород средней и высокой крепости примерно соответствует такому изменению амплитуды взрывной волны, что по характеру воздействия процесс взрывного нагрукения ГП можно считать бризантным. При этом время, соответствующее такому спаду давления в устье шпура при свободном истечении ЦЦ, в исследуемом случав равно 4 г , где гр= Ь/Ср- время прохождения упругой волны вдоль шпура. Время снижения давления до значения ораз в этом случае равно 51 .

Зависимость времени спада давления '.-в различных сечениях шпура от длины забойки при взрыве АМ Кб ЖВ в песчанике

Г.мс

/ /// )(/ ! !

« // / //; Г

/ ¥ А №

А //? 1 ---

т У

О 0,25 0,5 0,75 ¡> н

X - забойка из песка; 2 - взрывная запрессовка устья шпура.

Рис. 3 - 15 -

Возникшее бризантное действие взрыва на фоне практически незаметного истечения ПД через вновь образованную взрывом систему трещин формируется в ближней окрестности шпура гак долго по сравнению с временем детонации заряда,'что последнюю можно считать с точностью до 10% мгновенной по всей длине заряда. Поэтому можно говорить о формировании квазистатических полей напряжений вдоль шпура в ближней к нему области. При этом, конечно, подразумевается, что имеющийся фронт взрывной волны ревгирует на взрывы соседних зарядов в виде изменяющейся во времени величины амплитуды за счет возникающей суперпозиции этих волн. Кроме того, время, за которое происходит мелкодисперсное дробление ГП, составляет приблизительно 201;р. Это говорит о том, что при свободном истечении за время 4*р мелкодисперсное дробление полностью реализовано быть не может. Применение забойки, в том числе и образованной взрывом, увеличивает продолжительность бризантного воздействия примерно в 2 раза по сравнению с

V

При разработке в ЫГГУ нового способа формирования взрывной запрессовки, в котором оси запрессовочных и запрессовываемых шпуров лежат не в одной плоскости, а являются скрещивающимися прямыми, установлено, что свойства взрывной забойки зависят от расстояния между шпурами, ее длины и от угла между скрещивающимися осями этих шпуров. Если сопоставлять результаты взрыва с взрывной запрессовкой зарядами, расположенными в параллельных и скрещивавшихся шпурах, то во втором случае величина Ъ^ оказывается на 12+20 X больше, чем в первом. В предыдущих исследованиях было найдено Ъ2- расстояние между скрещивающимися осями этих шпуров, которое составляет 0,4+ 0,7 впрб' ГД0 апрб~ радиус зоны с растягивающими азимутальными напряжениями, при котором обеспечивается пробивание ГП в запрессовываемый шпур и угол 0, величина которого принадлежит интервалу значений от 8 до 15*. Таким образом, зная величину эффективной длины забойки ^вф' мохио определить параметры Ь1, 1зар и Ь*взаимного расположения запрессовочного и запрессовываемого шпуров (рис.4):

и- V —• м ' (15>

зар ^ созЭ Ь^ [« + 0,5(<1псоае - г^фвв, м , (16)

£

Ъ3= УЬ^ ьгг £ Ь2 , м , (17)

Схема взаимного расположения аапрессовочного и запрессовываемого шпуров в горном массиве

Ь,

Ъ = —2Щ— +-1— , М (18)

соз8 з1л8 •

Таким образом, по установленным соотношениям (15)4(18) рассчитываются необходимые параметры взаимного расположени запрессовочно-го и запрессовываемого шпуров 1зар, Ь1, Ъ3 и Ъ* тогда как ранее были известны только Ь2 и 8 (табл.2).

Таблица 2

Параметры взаимного расположения запрассовочного и запрессовываемого шпуров (скважин)

Ь2,ы 1вф'ы Ь, ,и Ь3,ы 13врм в >

0,042 0,18 0,2 0,07 0,19 0,25 0,34 15е 0,48

0,16 0,67 0,8 0,25 0,72 1,00 1,26 15" . ' 1,80

Таким образом, если применять для каждого запрессовываемого шпура один запрессовочный, го в соответствии с этим расчетом объем бурения и расход ВВ увеличивается на 15 %, предполагая при этом одинаковое количество отбойных и врубовых шпуров, что и в случае отсутствия запрессовки. Вместе с тем, разработана модель, когда этот запрессовочный шпур может быть использован для двух (четырех) запрессовываемых шпуров, а превышение объема бурения и расхода ВВ с применением запрессовйчного шпура не будет превышать 2+3 % при неизменном расположении врубовых и отбойных шпуров (рис.5).

Опытно-промышленные взрывы показали, что в случае применения запрессовочных шпуров эффективность действия взрыва основного заряда повышвется и в этом случае возможно увеличение расстояния г,,ак-ду шпурами на 8+10 %. При этом объем бурения и расход ВВ будет снижаться на 10+15 % по сравнению с параметрами БВР, обычно применяемыми с использованием простой забойки.

Разработана "Методика по определению параметров БВР с использованием взрывной запрессовки устья шпуров".

Схема расположения шпуров в контуре выработки с использованием взрывной запрессовки

устья врубовых шпуроз

Рис. 5

ЗАКЛИЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи разработки рвциональных параметров забойки с учетом времени ее движения по шпуру и истечением ЦЦ, применение которых повышает эффективность разрушения ГП при буровзрывной проходке подземных выработок.

Выполненные исследования позволили сформулировать слвдупцие вывода : •

1. Установлены обобщающие закономерности истечения ЦЦ из шпуров (скважин) при взрыве в них удлиненных зарядов ВВ с учетом движения забойки, а также значений рациональных параметров взрывной запрессовки с учетом механических свойств ГП и параметров выработки.

При этом спад давления относительно своего наибольшего значения гри взрыве заряда Ш Л6 ЖВ длиной 2,25 м в шпуре глубиной 3 м и диаметром 42 мм, пробуренном в песчанике крепостью 10 по М.М. Протодьяконову, в 2 раза происходит за время 51;р, где г = Ь/Ср- время прохождения упругой волны по породе вдоль шпура, а спад давления

до величины о - за время 6t .

раз р

Такой же по величине спад давления происходит в аналогичном случае с взрывной запрессовкой устья шпура (длина забойки - 0,25 м) за промежуток времени 201;р и 22гр.

Для скважины диаметром 0,16 м и глубиной 15 м при добыче гранита крепостью 1= 14 после взрыва заряда гранулита АС-8 длиной Э м и величиной запрессовки I м аналогичный спад давления происходит

за время 151 и Хбг : »

_ „ Р Р

2. Разработана и апробирована численная методике расчета изменения давления в цилиндрических полостях конечной длины за счет истечения ЦД из полости. Сопоставление этого метода с опытными данными показывает, что предложенная последовательность численного моделирования этого процесса обеспечивает величину относительной погрешности не более 15Х, что позволяет применить эту модель для исследования истечения ЦЦ при взрыве удлиненных зарядов ВВ в шпурах и скважинах. '

3. Установлено, что с применением забойки процесс истечения ПД из модели происходит в три втапв:

- на первом этапе длительностью т^ происходит вывод забойки из неподвижного состояния под действие упругих волн, генерируемых в ней ЦД;

- на втором этапе длительностью имеет место движение забой-

ки из шпура;

- на третьем этапа происходит квазиствционарноа истечение 1Щ длительностью т3, который, в свою очередь, подразделяется на два этапа:

во время первого втапа длительностью t, наблюдается распространение особой волны разрешения по ЦЦ от устья шпура с резким скачкообразным уменьшением давления;

во время второго этапа длительностью tz наблюдается квазистациойар-ное истечение ПД из шпура с постепенным уменьшением в нем давления.

Кроме того, обнаружено подобие фэрм зависимостей давления от времени при свободном истечении ПД после вылета забойки и истечением ПД без нее (кроме случая свинцовой забойки, когда играет существенную роль фактор противодавления при вылета свинца из модели);

4. Установлено, что длительность первого этапа истечения ПД с забойкой tj превышает суммарную длительность т2+тэ. Увеличение плотности забойки в 15 раз (при замене дерева на свинец) приводит к увеличению длительностей т., и т 'В 3 и 1,5 раза соответственно. Наиболее эффективным.способом увеличения длительности т, и т2 является применение забойки из песка, несмотря на та, что его платность почти в 10 раз меньше плотности свинца. Представлены формул! для простых оценок величин т1, %г и т3.

5. Разработана "Методика по определению параметров БВР с использованием взрывной запрессовки устья шпуров", которая была принята для разработки новых технологий взрывных работ в рамках НТП "Уголь России" при проходке подземных выработок на шахте им. Ленина ПО "Кизвлуголь". Применение новых параметров паспорта БВР, рассчитанных по данной методике, позволило увеличить при проходке штрека № 601 указанной шахты объем взрывной полости на 12*15% и НИШ - на 15+18Я на кавдой звходае.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хасаивов Б.А., Баранов И.М. Закономерности затухания ударных волн в каналах/ Материалы Всесоюзной школы по физика ударных волн.- Азау, 1987, т. 2, с. 36-38.

2. Борисов A.A.. Гельфанд Б.Е.. Баранов И.М. и др. Кинетика выделения энергии при высокотемпературном воспламенении смесей углеводородов с воздухом и кислородом.- Химическая физика, 1988, т. 7,

* 5, с. 172-175.

3. Баранов И.М. Закономерности затухания ударных волн в кана-

хах постоянного сечения. - В со.: Исследование физических процессов горного производства.- Ы.: МГИ, 1Э8Э, с. 21-24.

4. Криков Г.М., Русаков В.Л., Баранов И.М. Теоретическая оценка процесса формирования трещин около незаряженного шпура при взрыве удлиненного заряда в рядом расположенном шпуре.- Изв. вузов Горный журнал, 1990, * 7, с. 67-70.

5. Крюков Г.М., Баранов И.М. Модельные исследования истечения Щ кз сквакины (шпура) при взрыве удлиненного заряда ВВ.- Изв. вузов Горный журнал, 1991, * 8, с. 42-46.

6. Баранов И.М. Оценка параметров взрыва удлиненного заряда ВВ в модели шпура без забойки.- В сб.: Физические процессы горного производства.- М.: МГИ, 1991, с. 7-9. *

7. Крсков Г.М., Баранов И.М. Оценка параметров истечения продуктов взрыва удлиненного заряда ВВ из шпура.- Изв. вузов Горный журнал, 1993, * 4, с. 74-77.