РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ
РАССРЕДОТОЧЕННОГО ЗАРЯДА НА ПАРАМЕТРЫ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА В ЗОНЕ ВОЗДУШНОГО
ПРОМЕЖУТКА
2.1. Изменение давления продуктов взрыва в зоне воздушного
промежутка при использовании кумулятивного эффекта
В практике взрывного дела большое значение получили удлиненные заряды
взрывчатых веществ (ВВ), которые широко используются как при открытой, так и
подземной разработке полезных ископаемых. Совершенствование данных конструкций
способствует повышению производительности горного и транспортного оборудования,
созданию новых высокопроизводительных технологических схем добычи горной массы.
Главными направлениями повышения эффективности взрывных работ является
изыскание и разработка таких конструкций зарядов ВВ, применение которых
позволило бы максимально преобразовать энергию взрыва в полезную работу
разрушения и деформирования горного массива. Этим вопросам посвящены работы
многих отечественных ученых [3, 8, 15], однако величина коэффициента полезного
действия взрыва все еще остается низкой.
Известно, что детонация сплошного удлиненного заряда ВВ приводит к
возникновению в среде полости с высоким давлением газообразных продуктов
детонации (ПД), а в окружающей горной породе возбуждается ударная волна.
Несмотря на то, что размеры зоны распространения ударной волны незначительны,
высокая амплитуда давления и чрезвычайная быстротечность процесса приводят к
высоким потерям энергии взрыва вблизи заряда на пластические деформации и
переизмельчение среды. Это послужило толчком для создания акад. Н.В.
Мельниковым и д.т.н. Л.Н. Марченко зарядов с воздушными промежутками [15].
Основное преимущество данных зарядов состоит в том, что они передают энергию
взрыва среде не мгновенно, а порциями, многократным воздействием ПД на стенки
скважины. Кроме того, столкновение в скважине газовых потоков от отдельных
частей заряда изменяет газодинамику расширения продуктов взрыва и увеличивает
длительность взрывного воздействия на разрушаемую среду. Многократное
нагружение взрываемого массива приводит к тому, что весь последующий (за волной
сжатия) цуг волн принимает самое активное участие в развитии системы трещин,
что способствует более равномерному разрушению горной породы.
Однако увеличение трудоемкости заряжания при использовании скважинных зарядов
с воздушными промежутками, а также существенное снижение давления ПД в зоне
промежутка, привели к тому, что при разрушении крепких пород данные заряды не
нашли широкого применения.
Рассматривая вопрос повышения давления ПД в зоне воздушного промежутка можно
отметить, что достижение данной цели возможно несколькими путями: расположение
на контакте с воздухом участка с высокобризантным ВВ; размещение в воздушном
промежутке дополнительного сосредоточенного заряда; формирование в одной или в
двух частях заряда кумулятивной выемки. Последний метод является наименее
изученным, поэтому основное внимание в работе будет уделено обоснованию его
технологических преимуществ.
Известно, что формирование в заряде кумулятивной выемки и инициирование его с
противоположной стороны приводит к концентрации энергии взрыва в направлении ее
оси. После детонации заряда за счет пространственной концентрации продуктов
взрыва образуется кумулятивная струя, обладающая высокой скоростью и высокой
плотностью. Наличие облицовки на поверхности кумулятивной выемки существенно
усиливает кумулятивный эффект. Исходя из этого, а также из требований
безопасности при производстве взрывных работ, будем считать, что кумулятивная
выемки формируется в нижней части верхнего заряда (рис.2.1) с помощью
специального устройства – кумулятивного запирающего устройства (КЗУ),
изготовленного из полиэтилена [77 - 80].
Рис. 2.1. Конструкция удлинённого заряда с воздушным промежутком:
1 – ВВ;
2 – воздушный промежуток;
3 – забойка.
Пусть первым инициируется нижний заряд, а после заполнения воздушного
промежутка его продуктами взрыва – начинается движение кумулятивной струи.
Встречая на своем пути преграду (находящиеся под высоким давлением ПД нижнего
заряда), кумулятивная струя производит на нее чрезвычайно высокое
дополнительное давление, величина которого равна
(2.1)
где vk – скорость кумулятивной струи, м/с;
rо – плотность материала облицовки, кг/м3 .
В свою очередь скорость кумулятивной струи может быть определена из следующей
зависимости [81]
где vo – средняя скорость схлопывания конической оболочки, которая формирует
кумулятивную выемку, м/с;
a - половинный угол раствора конической оболочки.
Начальная скорость схлопывания конической оболочки зависит от скорости
детонации, массы активной части заряда и массы оболочки следующим образом [81]
(2.2)
где D – скорость детонации используемого промышленного ВВ, м/с;
b - коэффициент нагрузки (где Мак – масса активной части заряда ВВ, кг; mоб –
масса оболочки, кг);
c - коэффициент, учитывающий отклонение математической модели метания участков
оболочки от реального процесса (для показателя политропы ПД k = 3 c = 1, для k
= 2,25 - c = 1,2).
Объем активной части цилиндрического заряда, которая участвует в образовании
кумулятивного эффекта, определяется как [81]
а его масса
где ro – радиус цилиндрического заряда, м;
rвв – плотность ВВ, кг/м3.
Масса полиэтиленовой облицовки для случая конической кумулятивной выемки будет
равна
где Sоб – полная поверхность