Характер разрушения выбросоопасных пород шпуровыми зарядами

Экспериментальные исследования показали, что процесс разрушения среды начинается в зонах пониженной прочности, а густота центров трещинообразования является функцией напряжения.

Высокое давление газов, образующихся при взрывании зарядов в шпуре, вызывает смещение и деформацию его стенок, распространяемую в виде волны со скоростью, определяемой физико-механическими свойствами среды. В области, охваченной действием волны, среда находится в напряженном состоянии. Если напряжения превышают некоторую величину, характерную для данной области, имеющиеся в среде микротрещины начинают расти, и среда делится на части пространственной сеткой трещин. Величина критического напряжения зависит от вида напряженного состояния и размеров трещин в данной области. Минимальное время, необходимое для разрушения данного объема среды, определяется скоростью распространения трещин и плотностью мест их зарождения. Когда скорость распространения трещин достигает максимального значения, величина, напряжений уже не оказывает на нее влияния.

Плотность мест зарождения трещин — величина, весьма чувствительная к напряжению. Это объясняется тем, что при увеличении напряжений раскрываются микротрещииы меньших размеров, вероятность существования которых в твердом теле несравненно выше, чем трещин больших размеров. По мере распространения волны напряжений в среде величина максимальных напряжений на фронте волны уменьшается в результате геометрического расхождения и диссипации энергии.

Установлено, что, несмотря на сложность напряженного состояния, возникающего при взрыве заряда BB, с физической точки зрения процесс разрушения горных пород взрывом характеризуется отрывом под действием растягивающих напряжений. При этом энергия взрывчатого превращения BB, возникновение которой в массиве горных пород и обусловливает его разрушение, представляется в виде двух рабочих агентов: энергии воли напряжения и давления продуктов детонации. Роль энергии волн напряжения заключается в том, что при распространении она частично нарушает массив по системе естественных микротрещин. Продукты детонации при последующем расширении своим давлением расширяют образовавшиеся трещины и порода разрушается.

Таким образом, процесс разрушения горных пород энергией взрыва от возникновения начального давления в зарядной полости и до начала сдвижения породы следует рассматривать главным образом как результат развития системы трещин. Окончательное нарушение сплошности породного массива — разлет кусков взорванной горной массы — является уже результатом действия расширяющихся продуктов детонации.

Для определения характера разрушения выбросоопасных пород разработана методика проведения скоростной съемки выбросов кинокамерой CKC-1м в условиях сверхкатегорных шахт по газу и пыли. Предварительно пробными съемками установлено, что для получения качественных кинограмм лучше всего использовать негативную 16-миллиметровую кинопленку типа А-2 чувствительностью 180—250 ед. Частота съемки должна составлять 340—700 кадров/с.

Для освещения забоя использовали кинопрожекторы направленного света со ступенчатыми линзами Френеля, которые отличаются высоким качеством светового пятна. В них попользовали лампы накаливания КПЖ-3 мощностью по 2 кВт, которые могут кратковременно работать в форсированном режиме, давая при этом повышенный световой поток и увеличенную яркость. При съемке на лампы подавалось напряжение на 25% выше номинального (110 В), что позволило получить трехкратное увеличение яркости светового потока.

Чтобы обеспечить взрывобезопасность, кинокамеры и прожекторы вмонтировали в оболочки серийных взрывобезопасных пускателей ПМВИ. Смотровые окна для прожекторов и кинокамеры были изготовлены по рекомендации МакНИИ в соответствии с отраслевой нормалью «Аппараты электрические взрывонепроницаемые», «Окна смотровые». Оболочки пускателей со встроенными смотровыми окнами испытывали при гидравлическом давлении 8 кгс/см2 в течение 3 мин.

К прожекторам подавали напряжение 380 В при последовательном их соединении, к камере в зависимости от необходимой скорости съемки — 25—30 В. Кинокамера 1 и прожекторы 2 устанавливали на полке у свода выработки на расстоянии 18—25 м (рис. 19).

По требованиям Правил безопасности при применении электроэнергии в тупиковом забое схема питания кинокамеры и осветителей должна быть выполнена таким образом, чтобы при повышении концентрации метана выше допустимой или снижении скорости подачи воздуха по трубопроводу в тупиковый забой напряжение с этих установок отключалось. Для непрерывного автоматического контроля метано-воздушной смеси в забое использовали анализатор метана термокаталитический АМТ-2 с датчиком ДМТ-2.

Применяемая аппаратура обеспечила непрерывное измерение концентрации метана перед прожекторами и автоматическое отключение пускателя при аварийной концентрации метана. Проветривание экспериментального забоя вентилятором местного проветривания контролировали аппаратурой АКВ-2П, которая обеспечила: автоматическое отключение электроэнергии и киносъемочной аппаратуры при нарушении нормального режима проветривания; мгновенное автоматическое отключение электроэнергии при отключении пускателя вентилятора местного проветривания.

Методикой предусмотрено включение киносъемочной аппаратуры (рис. 20) за 2 с до подачи импульса па взрыв, чтобы зафиксировать на пленку при нормальном режиме работы камеры начало взрыва и последующий выброс породы.

В связи с тем, что взрывные работы на период экспериментальных исследований проводились в режиме сотрясательного взрывания с поверхности шахты, была разработана дистанционная система управления киносъемочной аппаратурой.

При проведении киносъемок в забое восточного коренного полевого откаточного штрека шахты им. Скочинского породу обильно, увлажняли. Для улучшения видимости использовали газоотводные трубы длиной 8 м, которые плотно вставляли в шпуры после забойки. Выбросы, провоцировали минимальным числом шпуров. В качестве BB применяли аммониты скальный № 1 и ПЖВ-20. При глубине шпура 1,8—2 м масса заряда составляла 0,6—1,250 кг.

По результатам съемки определены: время истечения продуктов детонации; характер трещинообразования и сдвижения массива; степень дробления породы; скорость разлета породы; начало развития выброса и скорость его протекания.

В ходе экспериментов по киносъемке выбросов породы было произведено 27 циклов взрывов, из них 14 заснято на кинопленку. В 11 случаях взрыв сопровождался выбросами породы.

Методика анализа отснятых кинопленок предусматривала два взаимосвязанных способа: кинопросмотр и покадровую расшифровку. Кинопросмотр позволял увидеть весь процесс выброса и оценить его качественно, а покадровая расшифровка — определить некоторые величины, характеризующие поведение изучаемого объекта. Полная характеристика поведения объекта составляется из данных кинопросмотров, покадровых расшифровок и изучения регистрограмм. Просмотр кадров киносъемки выполняли по позитивным копиям. Замедленный показ развития и. протекания выброса обеспечил раскрытие его механизма. Для кинопросмотра использован кинопроектор 16КПЗЛ-3, а для покадровой расшифровки— эпидиаскоп «Этюд».

Во время киносъемки забой полностью располагался в выбросоопасном песчанике. Киносъемку процесса разрушения и сдвижения породы в забое вели при взрыве зарядов врубовых шпуров, а также врубовых и вспомогательных шпуров. Согласно паспорту буровзрывных работ врубовые шпуры бурили под углом 65—70°. По кинограммам определяли: время истечения газов из шпура; скорость и характер раскрытия трещин на забое; степень дробления породы; скорость разлета породы от взрывания зарядов врубовых или вспомогательных шпуров. Анализ кинограммы, полученной при взрыве зарядов в четырех шпурах вертикального клинового вруба, позволил установить характер разрушения и сдвижения породы в забое.

После подачи импульса тока на взрыв в течение 26 мс из устья шпуров истекают газы, прорвавшиеся сквозь забойку. В течение 60 мс происходит трещинообразование и смещение массива. Первоначально трещины появляются между шпурами по вертикальной оси, а затем — по горизонтальной. В центре площади, оконтуренной врубовыми шпурами, порода вспучивается и по трещинам прорываются газы. От забоя порода отделялась отдельными блоками с максимальным размером отдельных граней до 35 см. Вылет мелких кусков породы наблюдался после разлета крупных. Вычисленная максимальная скорость разлета породы составляла 25 м/с, средняя — 17 м/с. Весь процесс разрушения и разлет породы из врубовой полости длились 1,3 с.

Повторно взрывали шесть шпуровых зарядов в нижней части выработки. Масса заряда аммонита ПЖВ-20 в шпуре составляла 0,9 кг. По кинограмме установлено, что после разлета крупных кусков породы из полости, оконтуренной шпурами, в поле съемки появились мелкие куски породы, летящие со скоростью до 19 м/с. Визуальным осмотром врубовой полости был обнаружен выброс породы интенсивностью до 1,5 м3, однако полного отбрасывания породы из полости не произошло. Аналогичные явления зафиксированы при повторном взрывании шпуровых зарядов. Результаты экспериментальных взрывов, выполненных для установления временных характеристик разрушения выбросоопасных пород, приведены в табл. 9, из которой видно, что при одинаковых параметрах буровзрывных работ четырех врубовых шпуров скорость разлета породы изменяется от 17 до 25 м/с. Снижение скорости разлета породы при увеличении площади сечения выработки объясняется большой глубиной разгруженной зоны забоя по ходу выработки. Максимальная скорость разлета породы (до 60 м/с) наблюдалась при взрывании 21 шпурового заряда в нижней части забоя, площадью сечения 9,9 м2. Общая масса BB (аммонит скальный № 1) составляла 21 кг.

Таким образом, исследованиями установлено, что разрушение пород до начала развития выброса происходит в следующей последовательности: 1) истечение продуктов детонации из шпуров в течение 26—28 мс; 2) на протяжении 60 мс раскрываются трещины на забое со скоростью 7 м/с и начинается сдвижение горной массы; 3) от забоя порода отделяется отдельными блоками, скорость их движения до 60 м/с; 4) время разрушения и полное отбрасывание породы происходит за 1,3—2 с, если взрывание не сопровождается выбросом.