Влияние направления детонации на формирование поля напряжений в массиве

Управление процессом разрушения горных пород посредством изменения направления детонации удлиненных зарядов применяют как на открытых, так и подземных работах. Изменение направления детонации удлиненных зарядов позволяет существенным образом влиять на результаты взрыва.

Параметры импульса напряжений при взрыве заряда изменяются в зависимости от условий инициирования заряда. При этом эффект взрыва изменяется не только от места расположения патрона-боевика в удлиненном заряде, но и от расположения детонатора заряде.

Для изучения этого явления проведена серия экспериментов по фоторегистрации процесса разрушения стеклянных пластин в зависимости от места расположения детонатора в заряде. В стеклянных пластинах толщиной 6 мм, размером 400х400 мм размещали заряд диаметром 5 мм, в котором детонатор (константановая нить) располагали в трех направлениях (рис. 40, а, б, в). Сравнивая характер разрушения в зависимости от места расположения детонатора, установили, что в направлении детонации наблюдается интенсивное разрушение модели.

В работе показано, что направление детонации зарядов определяет величину напряжения на фронте волны по оси цилиндрического заряда.

При инициировании удлиненного заряда длиной L детонационная волна перемещалась в направлении точки N со скоростью D, образуя в среде коническую волну напряжений (рис. 41). При этом согласно работе. угол наклона образующей конуса к оси заряда зависит от соотношения абсолютных величин скорости звука в среде и скорости детонации:

Чтобы установить различие в величинах давлений для точек А и B, можно предположить, что давление в любой точке и в любой момент времени может быть определено суммированием давлении, создаваемых при независимом действии взрыва отдельных участков заряда. С учетом разниц во времени их. инициирования давление распределяется на основании времени запаздывания

где r — путь волны, распространяющейся в среде со скоростью с, м; х — расстояние участка заряда от места расположения детонатора, м.

Чтобы каждый участок заряда участвовал в создании давлений, должно быть соблюдено условие т больше 0. Тогда давление в любой точке

где Pmax — максимальное давление, кгс/см2; е-t/0 — экспонента затухания давления (в воде).

Общий характер решения устанавливается следующим образом: первое возмущение в точку А прибывает из точки О и давление быстро нарастает до максимального за счет образования фронта волны напряжения. Затем давление спадет до тех пор, пока к моменту времени

из точки N не прибудет последнее, более слабое возмущение. В точку В возмущение прибывает из точки N, а спустя время

приходит последнее слабое возмущение из точки О.

Вычисления с помощью уравнения (35) позволяют установить, что приближенно давление в точке В должно быть больше давления в точке А в отношении, определяемом масштабом времени

Таким образом, давление у участка заряда с детонатором в п раз меньше давления у противоположного участка, по время его действия в n раз больше.

Р. Коулом установлено, что не только давление, но и величина взрывного импульса в точке В больше, чем в точке А.

Влияние места расположения детонатора в удлиненном заряде определено нами в лабораторных условиях на блоках из песчано-цементного раствора.

Заряд тэна длиной 70 мм, диаметром 6 мм и массой 3 г инициировали азидом свинца массой 20 мг. Пьезоэлектрические датчики из титаната бария располагали в 20 мм от конца заряда и ориентировали таким образом, чтобы зафиксировать максимальные сжимающие напряжения. Боковые составляющие напряжений гасятся благодаря расположению пьезодатчика в резиновые обоймы. Детонатор располагали па конце заряда.

Напряжения рассчитывали по формуле

где C= C1+C2+С3 — емкость измерительной системы, пФ; C1 — емкость пьезодатчика, пФ; C2 — емкость подводящих проводов, пФ; С3 — емкость пластин осцилографа, пФ; Е — величина измеряемой ЭДС, В; S — рабочая поверхность датчика, см2; d — пьезоэлектрический модуль датчика, дин.

В наших условиях C2= 1600 пФ, С3=40 пФ, площадь датчиков 0,44 см2. Импульсы напряжений в среде при взрывах зарядов регистрировали осциллографами С1-29. Синхронный запуск осциллографов и подрыв заряда выполняли с помощью взрывной машинки ВМК-1/80-Т. Для получения возможно более точных и сравнимых напряжений на каждый взрыв пьезодатчики подбирали с практически равными значениями d.

В табл. 23 приведены данные по замерам и рассчитанные по формуле (36) величины сжимающих напряжений, замеренных у торцов удлиненного заряда.

Результаты экспериментов показывают, что максимальные напряжения со стороны расположения детонатора в среднем на 43% меньше, чем у противоположного торца.

Проведенные исследования позволили установить, что при расположении детонатора у одного из торцов заряда к противоположному движется меньшая масса продуктов детонации, но обладающая большой энергией и более высокой скоростью. В начальный период удара скорость смещения частиц породы на стенке скважины равна скорости движения массы, производящей удар. Следовательно, максимальная скорость смещения стенки скважины у точки инициирования значительно ниже скорости смещения стенки скважины с противоположной стороны.

Определим продолжительность прохождения волны напряжений до открытой поверхности и детонационном волны по заряду при прямом и обратном инициировании зарядов. Исходные данные для расчета: длина шпуров 2 м, масса заряда 1 кг, длина l3=0,72 м; длина забойки lзаб = 1,28 м.

При прямом инициировании (рис. 42, а) детонация заряда закончится через t = 0,126 мс. К этому времени Фронт волны напряжении занимает положение 1 и продвигается в сторону открытой поверхности на расстояние l=ct=0,5 м. Оставшееся до открытой поверхности расстояние lзаб—l=0,78 м волны напряжений проходит за время

При обратном инициировании (рис. 42,б) после окончания детонации фронт волны напряжений занимает положение 2. Путь от заряда до открытой поверхности, который должна пройти волна напряжений, т.е. lзаб = 1,28 м. Поскольку скорость волны напряжений в обоих случаях одинакова, то фронт волны напряжений при обратном инициировании достигает открытой поверхности через промежуток времени

следовательно, по сравнению с прямым инициированием опаздывает на t=t3—t2=0,128 мс. То есть, продолжительность процесса от начала детонации до отражения волны напряжений от открытой поверхности составит соответственно tпр=0,324 мс и tоб=0,452 мс.

В случае применения аммонита ПЖВ-20 развитие поля напряжений несколько иное. Примем в качестве исходных условий следующие: lш=2 м, масса заряда — 1,2 кг, lз = 1,04 м, lзаб = 0,96 М.

При прямом инициировании зарядов (рис. 43, а) детонация заканчивается через

За это время волна напряжении, движущаяся в сторону открытой поверхности, проходит путь

т. е. достигает открытой поверхности, отражается и занимает положение 1 (см. рис. 43,а).

При обратном инициировании (рис. 43,б) детонация заканчивается через t1=0,297 мс. К этому времени фронт волны напряжения занимает положение 2. Оставшееся расстояние до открытой поверхности l1 = lш—l волна напряжений проходит за время

Таким образом, весь период времени от начала детонации и до отражения волны напряжения от открытой поверхности при прямом инициировании составляет

т.е. в два раза больше.

Приведенные расчеты показывают, что при обратном инициировании зарядов продолжительность действия продуктов детонации на взрываемую часть массива значительно дольше, чем при прямом инициировании, а процесс формирования поля напряжений за счет отраженной от открытой поверхности волны начинается значительно позже.

Таким образом, обратное инициирование позволяет направить большую долю энергии взрыва на разрушение части массива. При этом вид применяемого BB имеет существенное влияние. Время действия продуктов детонации на разрушаемый массив при взрыве аммонита ПЖВ-20 значительно больше, чем при взрыве аммонита скального № 1.

Исходя из результатов измерения времени начала трещинообразования в горных породах и его скорости, можно считать, что при взрыве зарядов комплекта шпуров с применением обратного инициирования трещинообразование между шпурами должно завершиться раньше начала развития трещин от открытой поверхности забоя выработки. Развитие трещин способствует тому, что при обратном инициировании зарядов в массиве на вновь образованных поверхностях происходит перераспределение напряжений и область максимальных напряжений перемещается в глубь массива прежде, чем начинает отделяться взрываемая часть породы. Соответственно уменьшается вероятность проявления выброса на вновь образованной поверхности.