Определение характера развития трещин в напряженной среде при взрыве

01.12.2020

Напряженное состояние массива является одним из факторов, влияющих на эффективность взрывного разрушения пород при проведении выработок на глубоких горизонтах шахт.

В ряде работ приведены зависимости результатов разрушения горных пород от величины горного давления, которые наиболее отчетливо проявляются в зоне концентрации напряжений, и указывается, что даже при относительно небольших напряжениях сжатия характер разрушения пород взрывом может существенно изменяться.

За последнее время исследованы некоторые особенности разрушения напряженных сред взрывом, и показано, что напряженное состояние горного массива оказывает влияние на параметры буровзрывных работ. В процессе разрушения суммируется воздействие динамической взрывной и статической нагрузок от горного давления. Аналитическое определение зоны разрушения при взрыве заряда при ведении горных работ на больших глубинах осложнено из-за неполноты сведений о прочностных свойствах горных пород и характере распределения напряжений вокруг выработки, где действительные напряжения могут достичь предельных величин. Вследствие этого исследование влияния напряженного состояния массива на некоторые особенности взрывного разрушения имеет большое значение Для изучения взаимодействия горного давления и динамического поля напряжений, возникающего при взрыве.

В связи с быстрыми темпами понижения уровня горных работ и проведения горных выработок по выбросоопасным породам необходимо корректировать буровзрывные параметры с целью снижения отрицательного действия взрыва на устойчивость выбросоопасного массива, вмещающего выработку. При разработке эффективных паспортов буровзрывных работ для глубоких горизонтов требуется раскрытие физической сущности разрушения напряженных горных пород.

В ИГТМ АН Украины в лабораторных условиях было установлено влияние напряженного состояния среды на характер разрушения ее взрывом заряда ВВ.

Приняв горную породу однородной, изотропной, упругой, рассмотрим распределение напряжений вокруг круглого отверстия в пластине из этой породы толщиной, равной единице. Пластина вырезана перпендикулярно к оси шпура.

В пластине действует исходное статическое поле напряжений, возникающее под действием одноосного сжатия вдоль оси Oy (рис. 2). Вокруг круглого отверстия; выполняющего функцию концентратора напряжений, одни области испытывают сжатие, другие — напряжения растяжения.

Напряжения описываются уравнениями Кирша:
Определение характера развития трещин в напряженной среде при взрыве

где or, o0 — нормальные напряжения соответственно радиальные и тангенциальные, кгс/см2; P — прилагаемые напряжения в сечении, удаленном от отверстия, кгс/см2; r0 — радиус отверстия (шпура), см; r — расстояние от оси отверстия до рассматриваемой точки, см;. 0 — угол, образуемый радиус-вектором точки с вертикалью, градус; (r, 0) — цилиндрические координаты точек.

На основании уравнений (2) следует, что в местах наибольшей концентрации, совпадающих с точками А и A1 на контуре отверстия (r=r0, 0=90°), напряжения растяжения достигают значительной величины (см. рис. 2). Тангенциальные напряжения растяжения в точках А и A1 соответственно равны и составляют свА = Р. Около точек В и B1 (r=r0, 0=0°) наблюдается максимальная концентрация сжатия. Тангенциальные напряжения сжатия в этих точках равны и составляют о0 = -3Р.

Взрыв заряда, расположенного в отверстии статически сжатой пластины, создает волну напряжений, накладывающуюся на существующие в ней статические напряжения, и в каждой точке пластины возникают напряжения, представляющие собой их суперпозицию (сложение статических и динамических напряжений) Характер разрушения твердых сред в основном зависит от интенсивности приложенных напряжений, поэтому исходное поле напряжений в среде значительно влияет на ее разрушения: на стадии зарождения и развития трещин оно облегчено в областях, где действуют исходные нормальные напряжения растяжения, и затруднено там, где действуют статические напряжения сжатия. Это предположение в меньшей степени относится к области, где в момент разрушения при взрыве действуют высокие напряжения ударной волны.

Таким образом, напряженное состояние горных пород в процессе разрушения определяется совместным действием сил горного давления и силы взрыва, что оказывает решающее влияние на разрушение.

Для исследования кинетики образования трещин при экспериментальных взрывах применялось силикатное стекло с пределом прочности 450 кгс/см2, что позволяет в проходящем свете при скоростной киносъемке наблюдать процесс развития трещин. Пластины размером 200х200 мм и толщиной 6 мм с размещенным в них зарядом BB массой 30, 50, 80 мг/подвергали одноосному сжатию прессом и специальным винтовым устройством с динамометром, обеспечившим его неравнокомпонентное плосконапряженное состояние.

Для сопоставления результатов вначале был взорван заряд в моделях при P=0, т. е. без предварительного сжатия (рис. 3, а). В этом случае радиальные трещины распространялись от источника взрыва во всех направлениях под действием тангенциальных напряжений. Число магистральных трещин равно 8—10. Зона пластических деформации и кольцевые трещины, возникающие под действием ударной волны, имеют круглую форму, что свидетельствует о равномерном действии волны напряжении вокруг зарядной полости.

В модели с предварительно созданным напряженным состоянием значительно меняется характер разрушения. При незначительных статических нагрузках зона разрушения, образовавшаяся при взрыве, мало отличается от зоны разрушения в ненагруженной модели, зато интенсивность радиальных трещин существенно уменьшается.

Взрыв заряда тэна массой 30 мг в стеклянных моделях при нагрузке 45 кгс/см2 показал, что распространяющиеся радиальные трещины с увеличением статического напряженного состояния имеют склонность к ориентированию в направлении действия сжимающей силы по оси Oy. Число магистральных трещин уменьшается До двух. Зародившиеся диагональные и горизонтальные трещины не развиваются и достигают длины 35 r0, распространяясь в направлении приложенной нагрузки (рис. 3,б, в). Если при нагрузке 20 кгс/см2 наблюдаются небольшие радиальные трещины в направлении оси Ох, не превышающие двух радиусов зоны разрушения, то при нагрузке 45 кгс/см2 горизонтальные трещины уменьшаются и в основном не распространяются за пределы зоны пластических деформаций. Фронт кольцевых трещин зоны смятия при данных нагрузках продолжает сохраняться близким к окружности и составляет 14 r0 (см. рис. 3,в). Скоростная киносъемка установкой СФр процесса разрушения напряженных моделей показала что в начальный период взрыва зарождаются радиальные трещины в зоне действия ударной волны до 5г0, равномерно во все стороны. Из этого следует, что статическое напряженное состояние в ближней зоне влияет на процесс разрушения в меньшей степени, чем за ее пределами, где по оси Ox трещины уже не развиваются, а затухают в пределах зоны разрушения кольцевыми трещинами. Развиваются лишь радиальные трещины по контуру отверстия, вмещающего заряд, и в зоне действия статических растягивающих тангенциальных- напряжений.

Увеличение статической нагрузки до 220 кгс/см2 (около 50% разрушающих усилий) приводит к тому, что возникшие в начальный период взрыва радиальные трещины не распространяются за пределы зоны разрушения, за исключением двух-трех почти смыкающихся магистральных трещин, растущих в направлении действия статической нагрузки (рис. 3, г) . Зона разрушения имеет форму эллипса, расположенного большой полуосью по направлению приложения статической нагрузки, с отношением полуосей эллипса 1 : (1,13—1,18).

Дальнейшее увеличение статической нагрузки не вносит особых изменений в развитие радиальных и кольцевых трещин. Более интенсивное и равномерное трещинообразование напряженной модели происходит при увеличении заряда BB, в этом, случае зона разрушения кольцевыми трещинами снова приобретает форму окружности вследствие увеличения мощности ударной волны в ближней зоне (рис. 3, д, е).

Вторая серия взрывов постоянной величины заряда тэна — 250 мг диаметром 4 мм была выполнена на моделях из оптически активного органического стекла размером 100х100х50 мм с пределом прочности 900 кгс/см2. Этот материал имеет более близкий к горным породам характер разрушения.

Зона разрушения ненагруженной модели составила 14 r0 и представляет систему симметричных трещин, равномерно развитых во всех направлениях (рис. 4,а).

При разрушении моделей из органического стекла взрыванием зарядов получены результаты, аналогичные результатам в опытах со стеклянными моделями. При одноосной статическом нагрузке 50 кгс/см длина трещин по оси Oy составила до 14 к0, а по оси Ox до 6 r0, т. е. уменьшилась в два раза (рис. 4,б). С увеличением статическом нагрузки до 100 кгс/см увеличивается число трещин по направлению ее приложения (рис. 4, в, г), зона разрушения кольцевыми трещинами увеличивается. По оси приложения нагрузки длина трещин при радиусе заряда 3 мм составила 10 r0, а по оси Ox — всего 5 r0.

Проведенные эксперименты показали, что в условиях напряженного состояния среды трещинообразование по оси Oy модели увеличивается в четыре раза по сравнению с ненагруженной моделью. В направлении, перпендикулярном оси приложения нагрузки (ось Ох), трещинообразование снижается в пять раз как для одиночного заряда, так и для серии зарядов.

Создание двухосного равнокомпоиентного напряженного состояния (о1=о2=106 кгс/см2) при взрывании заряда массой 100 мг препятствует развитию радиальных трещин, но способствует возникновению кольцевых трещин. Уменьшение эффективности разрушающего действия заряда в этом случае становится особенно четко выраженным (рис. 4,д). Это объясняется тем, что тангенциальные напряжения являются сжимающими по всему контуру отверстия, вмещающего заряд. Эпюра напряжений о0 имеет форму окружности.

Развитие трещин при взрывании заряда BB в напряженных моделях из стекла фиксировали установкой СФР при повторении кадров через 4 мкс. На модели тушью нанесена масштабная сетка размером ячеек 20х20 мм, используемая для облегчения замера длины трещин. Результаты обрабатывали и а проекционном аппарате 5ПО-1, позволяющем определять длину трещин с точностью до 0,5 мм.

Анализ движения трещин на отдельных участках показал увеличение скорости их роста от нескольких сотен до 2500 м/с. В работе по изучению скорости роста трещин показано, что в определенных условиях трещина в стекле распространяется очень медленно — со скоростью 0,3 60 м/с, предельные скорости их рaспpoстранения 1480—4000 м/с. Отмечается также, что по мере возрастания статического напряжения в среде скорости распространения трещин соответственно растут и стабилизируются (при 500 кгс/см2) на уровне 1500 м/с.

В наших опытах заряд тэна массой 30 мг не создавал достаточно большой плотности энергии взрыва, и средние скорости трещин для стекла не достигали предельных значений. Это способствовало выявлению зависимости скорости распространения трещин при взрывании зарядов BB (рис. 5) от напряженности среды.

Трещины, не получившие полного развития (относительно небольшой длины), в основном растут медленно. Средние максимальные скорости их роста примерно в два раза меньше средних скоростей быстрорастущих трещин. Это видно из рис. 6, а, б, где трещины 3, 4, 7 для ненапряженной модели и трещины 1, 3 для напряженной модели имеют меньший угол наклона, чем трещины 1, 2—2', 5, 6 для ненапряженной модели и 2,4 — для напряженной модели. В моделях, нагруженных статическим усилием по оси Oy. трещины, направление которых близко к оси Ox, также имеют меньшие скорости за счет развития их в начальный период в области сжимающих напряжений.

В ненагруженных моделях средняя скорость роста трещин при взрыве заряда BB массой 30, 50 и 80 мг составила соответственно 930, 970 и 1000 м/с. Увеличение массы заряда способствовало увеличению средней скорости трещин на 8%.

Более значительное влияние на скорость трещин оказало увеличение статического напряженного состояния модели до 220 кгс/см2, при котором максимальные скорости распространения трещин во всех случаях увеличились на 55%, не превышая 1450 м/с, т. е. приближаясь к предельной скорости распространения трещин в стекле.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна