РАЗДЕЛ 2
УСТАНОВЛЕНИЕ МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ И ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЗОНЫ СО 2-Й ФАЗОЙ УБОРКИ ПОРОДЫ ПОСЛЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛАХ
Повышение технико-экономических (ТЭП) показателей проходки вертикальных шахтных стволов в скальных горных породах по буровзрывной технологии невозможно без интенсификации процесса уборки разрушенной взрывом породы во 2-й фазе. Несмотря на накопленный опыт ведения взрывных работ в этих условиях еще не разработаны надежные методы определения параметров разрушения обуренного массива после взрывания участка ствола с объемом породы, требующей 2-ю фазу уборки. Для этого необходимо теоретически обосновать и разработать модель деформации массива горных пород взрывом вдоль оси шпура и на ее основе получить размеры зон разрушения. Методически эта задача решается путем систематизации известной модели разрушения массива горных пород взрывом [13] с учетом временных параметров механических процессов, происходящих в массиве при внутреннем действии на него взрыва цилиндрического шпурового заряда, которые установлены МакНИИ [56].
2.1. Характер деформирования породного массива взрывом в вертикальных шпуровых зарядов ВВ
Основываясь на современных теоретических представлениях, экспериментальных исследованиях общепринятых положений и многолетнем [13; 30; 56] опыте проходки вертикальных шахтных стволов можно предложить следующую качественную модель и временные параметры процесса рыхления и разрушения массива скальных горных пород при производстве взрывных работ, показанную на рис.2.1 на примере взрыва трех соседних шпуровых зарядов.
На представленной модели условно показано, что радиус воронки рыхления (r) равен расстоянию между шпурами (). В действительности в зависи-
Рис. 2.1. Общий характер взрывного разрушения горного массива в вертикальных шахтных стволах:
1 - забой вертикального ствола;
2 - участок шпура, разрушенный взрывом размещенного в нем заряда ВВ;
3 - горная порода, разрушенная и приведенная в движение (размещенная в пределах воронки рыхления);
4 - боковая поверхность воронки рыхления;
5 - радиальные и кольцевые трещины;
6 - "стаканы" шпуров;
аш - расстояние между шпурами;
r - радиус воронки рыхления горных пород;
I - зона образования воронки рыхления;
II - зона разрушения и дробления;
III - зона растрескивания;
IV - зона сотрясения.
мости от условий взрывания он может быть или меньше, или больше этого расстояния. Как показано в работе [27], максимально возможный радиус воронки в вертикальных стволах при взрывании одиночного шпурового заряда в "сухих" скальных горных породах равен 0,82 м, а в обводненных - 1,05 м. С подтоплением забоя ствола водой радиус воронки взрыва уменьшается и, например, при высоте слоя воды, равной 0,20 м, он составляет 0,25 м. С учетом этого, максимально возможное значение показателя раствора воронки взрыва отбойных и оконтуривающих шпуровых зарядов в вертикальных стволах равно:
n = r / W= r/(lш?lзах/2)= 1,05/(4,2-1,8/2) = 0,32<0,70.
Согласно [13], такую воронку взрыва классифицируют, как "воронка рыхления".
В этом плане следует заметить, что эффективность взрывных работ при проведении горных выработок определяется не раствором, а глубиной воронки выброса (в отличие от взрывных работ на выброс, когда радиус воронки является чуть ли основным проектным параметром [13]). Разрушение пород в этом случае происходит в режиме так называемого "выпирающего горна" [57].
В соответствии с предлагаемой моделью процесс разрушения скальных пород протекает так [58]. При инициировании шпурового (цилиндрического) заряда ВВ по нему распространяется детонационная волна, за которой следуют продукты взрыва. Одновременно с расширением продуктов взрыва формируется ударная волна сжатия с высоким давлением во фронте распространяющихся по породе во все стороны от места взрыва. Расширяющиеся продукты взрыва ВВ практически мгновенно наносят по окружающей заряд среде резкий удар огромной силы. В момент выхода детонационной волны на поверхность заряда ВВ давление на ее фронте имеет значение порядка 1,01 • 1010 Па при температуре около 30000С.
В работе [38] показано, что процесс разрушения скальных горных пород взрывом связан во времени первоначально в результате действия высоких напряжений на фронте прямой и отраженной волн, а затем уже за счет действия сильно сжатых продуктов взрыва. Однако в начальный момент массив не нагружается, напряжения и скорость в нем равны нулю. Действительно, только по истечению определенного времени, исчисляемого микросекундами, импульсное воздействие взрыва приводит к возникновению волн напряжений в массиве (в работе [56] выполнены измерения их параметров). Сильная ударная волна вызывает интенсивное дробление и сильнейшие пластические деформации среды в зоне, непосредственно примыкающей к заряду. Вдоль заряда образуется котловая (камуфлетная) полость, со стенками из мелкораздробленной, уплотненной породы, радиус которой в скальных породах может достигать 2...4 радиусов заряда. По мере потери энергии, давление взрывных газов ослабевает и деформация породы сжатием на некотором расстоянии от места взрыва прекращается. Фронт ударной волны сглаживается и она переходит в волну напряжений. Начало сдвиговых деформаций в массиве происходит через 2,0 мс после взрыва. Волновые процессы в массиве завершаются за 4...6 мс. Однако все еще большое давление взрывных газов во взрывной полости и наличие свободной поверхности приводит к возникновению растягивающих усилий. Порода разрушается в 10...20 раз легче под действием растягивающих усилий, чем от сжимающих. Под действием высокого давления взрывных газов и перемещающегося мелкораздробленного слоя породы вокруг камуфлетной полости, наступает процесс роста радиальных трещин и разрушение горных пород. Разрывы сплошности массива наступают при средней скорости распространения деформаций равной 7,5 мм/мс [59]. Основные закономерности старта и распространения магистральных трещин в за