ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОБРАЗОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ВЫЕМОК В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ ВЗРЫВОМ КАМУФЛЕТНЫХ И СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано напряженно-деформированное состояние массива вокруг очага камуфлетного скважинного заряда ВВ и определены максимальное давление, импульс и радиус камуфлетной полости в мягких. Разработан способ образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах взрывом камуфлетных и скважинных зарядов ВВ, обеспечивающего эффективность образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах.

ABSTRACT

In this paper, the stress-strain state of the mass around the focus of a camouflage borehole explosive charge was studied and the maximum pressure, momentum, and radius of the camouflage cavity in soft ones were determined. A method has been developed for the formation of extended recesses in unstable soils by the explosion of camouflage and borehole explosive charges, which ensures the effectiveness of the formation of extended recesses in unstable soils.

Ключевые слова:  камуфлетный заряд, камуфлетный взрыв, скважинного заряда ВВ, деформация, напряженно-деформированное состояние массива, взрывной волны, мягкие породы, уровень грунтовых вод, щелевой заряд ВВ

Keywords:  camouflage charge, camouflage explosion, borehole explosive charge, deformation, stress-strain state of the massif, blast wave, soft rocks, groundwater level, the slotted explosive charge.

При описании действия камуфлетного скважинного заряда взрывчатых веществ (ВВ) основное внимание уделяется процессу развития камуфлетной полости массива, которая достаточно полно описана в работах [1-14].

На основании теоретических и экспериментальных исследований В.В.Адушкина, А.А.Вовк, М.А.Садовского, В.Н.Родионова, Г.И.Покровского, М.М.Докучаева, А.Н.Ханукаева, Г.М.Ляхова, У.Ф. Насирова, Ю.Д.Норова, А.А.Черниговского, Г.И.Черного и др. ученых процесс образования камуфлетной полости взрыва скважинного заряда ВВ схематически можно представить в виде, которое приведен на рис. 1. Под воздействием свободных продуктов взрыва формируется ударная волна, энергия которой равномерно передается во все стороны массива. Песчаный грунтовый массив уплотняется и вокруг зарядной камеры образуется камуфлетная полость в виде неправильной сферы.

Рисунок 1. Напряженно-деформированное состояние массива вокруг очага камуфлетного взрыва скважинного заряда ВВ

В зоне 1 максимальное давление при прохождении волны напряжения достигает величин, при которых по данным лабораторных испытаний образцов отмечаются заметные объемные деформации. Внутреннюю часть зоны 1 составляет область, где грунты достигают предельного уплотнения, т.е. имеет место полное закрытие свободных пор. Согласно работы [10-18] размеры этой области в достаточно влажных грунтах может быть значительными и корка в данном случае составит заметную часть зоны 1. В сухих грунтах область предельного уплотнения вырождается в тонкую корку у границы полости. Напряженное состояние, которое имеет место в зоне 2, отвечает необратимому пластическому деформированию. Во время испытаний образцов при таком напряженном состоянии не отмечается заметного изменения полости. В зоне 3 напряженное состояние отвечает обратимому деформированию. Полная разгрузка бывает лишь в пределах внутренней рассеченной трещинами части зоны 1. Необратимое радиальное перемещение частиц грунта и деформирование переместившихся элементарных объемов препятствуют обратному движению и восстановлению первоначальной камуфлетной полости. В результате необратимая объемная деформация имеет место в пределах зоны 2 и частично даже в зоне 3.

При уплотнении мягких пород камуфлетными взрывами скважинных зарядов ВВ основное изменение структуры грунта происходит в зоне действия преимущественно ударных волн. Результаты исследования параметров ударных волн в воде подробно приведены в работе [6], а в водонасыщенных грунтах – [7].

Наиболее существенными параметрами взрывных волн являются максимальное давление, скорость распространения, время действия и импульс взрывной волны. Величина импульса взрывной волны определяется по формуле:

,                                                                            (1)

где P(t) – изменяющееся во времени давление взрывной волны.

Зависимости для определения параметров ударных волн, полученные экспериментальным путем при взрыве сосредоточенных зарядов в воде, имеют вид

;                                                               (2)

,                                                        (3)

где Р_max – максимальное давление, МПа;

Q – масса заряда ВВ, кг; R – расстояние от центра заряда, м;

I – импульс, МПа×с.

Исследованиями [20-29] установлено, что на параметры взрывных волн существенное влияние оказывает содержание газа. В общем случае водонасыщенный грунт представляет собой трехкомпонентную систему – твердые частицы, вода и газ. В водонасыщенных грунтах газ может содержаться в виде адсорбированного минеральной частью, растворенного в воде и свободного. Количество адсорбированного газа в достаточно чистых несвязных грунтах невелико, вследствие чего он не оказывает заметного влияния на свойства грунта. Содержание растворенного газа сказывается на сжимаемости поровой воды. Основное влияние на физико-механические свойства несвязных водонасыщенных грунтов оказывает свободный газ, находящийся в грунте в виде отдельных пузырьков.

По результатам многочисленных опытов [9-19] получены зависимости для определения максимального давления и импульса камуфлетного скважинного заряда ВВ в виде:

;                                                           (4)

                                                       (5)

 где Q – масса камуфлетного скважинного заряда ВВ, кг;

R – расстояние от центра камуфлетного скважинного заряда ВВ, м;

P_max – максимальное давление, МПа;

I – величина импульса ударной взрывной волны, МПа×с;

k₁ – коэффициент, учитывающий передачу энергии от камуфлетного скважинного заряда ВВ в максимальную ударную волну;

k₂ – коэффициент, учитывающий передачу энергии от камуфлетного скважинного заряда ВВ в величину импульса ударной волны.

Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов

Радиус камуфлетной полости скважинного заряда ВВ определяется по формуле [10]:

,                                                          (6)

где П_ф – показатель простреливаемости, дм³/кг;

a – коэффициент, учитывающий свойство ВВ:

,                                                                 (7)

где Q, r – теплота взрыва и плотность применяемого ВВ;

 Q₀, r₀ – соответственно для аммонита 6ЖВ;

R_э – эквивалентный радиус скважинного заряда ВВ, м.

Значения показателя простреливаемости мягких пород по данным [11] приведена в табл. 2.

Таблица 2.

Значения показателя простреливаемости

В результате теоретических исследований по формулам (4) и (5) определены максимальное давление и импульс в зависимости от массы и расстояния от центра камуфлетного скважинного заряда ВВ, гиперболические зависимости которых приведены на рис. 2-5.

Полученная зависимость, которая приведена на рис. 2, показывает, что с увеличением массы камуфлетного скважинного заряда ВВ от 2 до 10 кг максимальное давление импульса увеличивается и составляет, соответственно, 0,1796 и 0,2840 МПа.

Исследованиями также установлено, что с увеличением расстояния от очага взрыва от 2 до 10 м максимальное давление импульса снижается и составляет, соответственно, 0,3810 и 0,1856 МПа, которые приведены на рис. 3.

Рисунок 2. Зависимость максимального давления взрывной волны камуфлетного скважинного заряда ВВ от его массы

Рисунок 3. Зависимость максимального давления взрывной волны камуфлетного скважинного заряда ВВ от расстояния от очага взрыва

В результате экспериментальных исследований получены зависимости величины импульса взрывной волны камуфлетного скважинного заряда ВВ от массы заряда и расстояния от очага взрыва, которые показаны на рис. 4 и 5.

Полученная зависимость, которая приведена на рис. 4, показывает, что с увеличением массы камуфлетного скважинного заряда от 2 до 10 кг величина импульса возрастает, соответственно, от 0,010 до 0,019 МПа×с. Полученная зависимость характеризуется зависимостью линейного типа.

Исследованиями также установлено, что с увеличением расстояния от очага взрыва от 2 до 10 м величина импульса камуфлетного скважинного заряда ВВ снижается и, соответственно, равно 0,020 и 0, 011 МПа×с. Полученная зависимость характеризуется зависимостью параболического типа.

В результате теоретических исследований получены зависимости радиуса камуфлетной полости взрыва скважинного заряда ВВ от эквивалентного радиуса и показателя простреливаемости заряда ВВ, которые показаны на рис. 6 и 7.

Полученная зависимость, которая приведена на рис. 6 показывает, что с увеличением эквивалентного радиуса скважинного заряда ВВ от 0,07 до 0,12 м величина радиуса камуфлетной полости возрастает, соответственно, от 0,45 до 0,76 м. Полученная зависимость характеризуется зависимостью линейного типа.

Исследованиями также установлено, что с увеличением показателя простреливаемости скважинного заряда ВВ от 0,1 до 0,35 м³/кг величина радиуса камуфлетной полости также возрастает и составляет 0,33 и 1,08 м (рис. 7). Полученная зависимость характеризуется зависимостью линейного типа.

Рисунок 4. Зависимость величины импульса взрывной волны камуфлетного скважинного заряда ВВ от массы заряда

Рисунок 5. Зависимость величины импульса взрывной волны камуфлетного скважинного заряда ВВ от расстояния от очага взрыва

Рисунок 6. Зависимость радиуса камуфлетной полости от эквивалентного радиуса

Рисунок 7. Зависимость радиуса камуфлетной полости от показателя простреливаемости

В результате проведенных исследований разработан способ образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах взрывом камуфлетных и скважинных зарядов ВВ, включающий нарезание пары центральных щелей и боковых скважин, размещение зарядов ВВ и взрывание (рис. 8).

В боковые скважины закладывают камуфлетный заряд на глубину ниже уровня грунтовых вод в мягких породах. Производят забойку и взрывают с порядным замедлением 25 мс. На следующий день осуществляют основной взрыв щелевых зарядов ВВ. Образуемая камуфлетная полость обеспечивает отток грунтовых вод массива.

1 – мягкие породы; 2 – крепкий пропласток; 3 – скважина; 4 – щель; 5 – камуфлетный заряд ВВ; 6 – щелевой заряд ВВ; 7 – камуфлетная полость; УГВ – уровень грунтовых вод

Рисунок 8. Способ образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах взрывом камуфлетных и скважинных зарядов ВВ

Таким образом, по разработанному способу взрывания с использованием щелевых и камуфлетных скважинных зарядов ВВ обеспечивается эффективность образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах.

Для оценки условий наибольшего разрушения структуры разжижения и последующего уплотнения проведены глубинные взрывы зарядов различной массы на разных глубинах заложения с целью выбора их оптимальных параметров.

Установлено, что наибольший эффект уплотнения мягких пород получается при зарядах, близких по эффекту максимальному камуфлету, так как при этом наибольшая часть энергии используется на разрушение структуры грунта. При глубине 5 м и массе заряда ВВ 6 кг получается максимальный камуфлет взрыва. При меньшей глубине заложения заряда ВВ происходит разрыхление грунта или образуются воронки выброса, что не допустимо при уплотнениях в мягких породах.

С увеличением глубины заложения ВВ сверх максимального камуфлета уменьшается возможность разрушения структуры грунта вследствие увеличения сжимающих напряжений в скелете грунта под действием его веса по сравнению с действующими нагрузками при взрыве.

В результате проведенных исследований получен эмпирический коэффициент для супеси, суглинка и грунта, значения которого приведены в табл. 3.

Таблица 3

Эмпирический коэффициент для супеси, суглинка и грунта

Исследованиями установлены: обобщающая закономерность размеров зоны проработки, изменение радиуса эффективного действия взрыва и глубины уплотнения грунта в виде зависимости параболического типа с показателем 1/3 от массы зарядов ВВ и их глубины заложения, обеспечивающая максимальный камуфлет взрыва и эффект уплотнения.

Абсолютные значения результатов экспериментальных исследований приведены табл. 4-6.

Таблица 4.

Абсолютные значения результатов экспериментальных исследований

Результаты измерений величины радиусов эффективного действия взрыва в зависимости от массы камуфлетного скважинного заряда ВВ и глубины их заложения для грунтов со степенью плотности 0,4-0,5

Таблица 5.

Результаты измерения величины радиусов эффективного действия взрыва я в зависимости от массы камуфлетного скважинного заряда ВВ и глубины их заложения для суглинков со степенью плотности 0,3-0,4

Таблица 6.

Результаты измерения величины радиусов эффективного действия взрыва в зависимости от массы камуфлетного скважинного заряда ВВ и глубины их заложения для супесей со степенью плотности 0-0,2

Полученные результаты показывают, что с увеличением глубины заложения заряда от 3 до 6 м масса заряда ВВ, обеспечивающая максимальный камуфлет взрыва и эффект уплотнения, возрастает от 6 до 7,3 кг. Радиус эффективного действия взрыва при этом увеличивается, соответственно, от 4,5 до 5,5 м для грунтов со степенью плотности 0,4-0,5; от 6 до 7,3 м для суглинков со степенью плотности 0,3-0,4 и от 7,0 до 9,0 м для супесей со степенью плотности 0-0,2.

Выводы

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние массива вокруг очага камуфлетного скважинного заряда ВВ. Установлено, что под воздействием свободных продуктов взрыва формируется ударная волна, энергия которой равномерно передается во все стороны массива.

2. На основе использования законов газодинамики определены максимальное давление, импульс и радиус камуфлетной полости в мягких породах в зависимости от массы заряда ВВ и расстояния от очага взрыва.

3. Разработан способ образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах взрывом камуфлетных и скважинных зарядов ВВ, обеспечивающего эффективность образования протяженных выемок в неустойчивых грунтах.

4. Разработана методика определения радиусов зон уплотнения и радиуса эффективного действия взрыва в зависимости от массы заряда ВВ и их глубины заложения, обеспечивающая максимальный камуфлет взрыва и эффект уплотнения.

5. Исследованиями установлена обобщающая параболическая зависимость изменения радиусов зон уплотнения и радиуса эффективного действия взрыва в мягких породах с показателем 1/3 от массы камуфлетного скважинного заряда ВВ и глубины их заложения, обеспечивающая максимальный камуфлет взрыва и эффект уплотнения.

Список литературы:

1. Norov Y., Karimov Y., Latipov Z., Khujakulov A., Boymurodov N. Research of the parameters of contour blasting in the construction of underground mining works in fast rocks // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 1030 (1), 012136
2. Авдеев Ф.А., Барон В.Л., Гуров Н.Ф., Контор В.Х. Нормативный справочник по буровзрывным работам. 7-е издание. – М., 2016. – 511 с.
3. Вовк А.А., Черный Г.И., Кравец В.Г. Действие взрыва в грунтах. – Киев: «Наукова думка», 1994.
4. Дорфман А.А., Левин Б.В. Научные сообщения. Выпуск 230. ‒ М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1984. ‒ С. 66-72.
5. Заиров Ш.Ш., Каримов Ё.Л., Латипов З.Ё. Исследование химического процесса закрепления солевых отходов в горнодобывающем комплексе дехканабадского завода калийных удобрений // Проблемы недропользования – Екатеринбург, 2021. – №3. С.40-54.
6. Заиров Ш.Ш., Уринов Ш.Р., Каримов Ё.Л., Жумаев И.К., Латипов З.Ё., Эшкулов О.Г. Повышение технологии проходки калийных пластов в условиях тюбегатанского месторождения калийных солей // Universum: технические науки. – Москва, 2021. – №10(91). С. 59-64
7. Заиров Ш.Ш., Уринов Ш.Р., Каримов Ё.Л., Латипов З.Ё., Авезова Ф.А. Изучение экологических проблем и анализ способов снижения негативного воздействия отходов калийных руд на окружающую среду // Universum: технические науки. – Москва, 2021. – №4(85). С. 46-52
8. Иванов П.Л. Уплотнение малосвязных грунтов взрывами. – М.: Недра, 2013. – 230 с.
9. Каримов Ё.Л., Жумаев И.К., Латипов З.Ё., Шукуров А.Ю., Нарзуллаев Ж.У. Рекомендации по применению технологии противофильтрационной защиты солеотвала и рассолосборника № 1 // Universum: технические науки. – Москва, 2020. – №12(81). – С. 34-38
10. Каримов Ё.Л., Латипов З.Ё., Каюмов О.А., Боймуродов Н.А. Моделирование и установление координатов центра масс отвала и хвостов Тюбегатанского калийного месторождения. // Universum: технические науки. – Москва, 2021. – №2(83). – С. 25-29
11. Каримов Ё.Л., Латипов З.Ё., Хужакулов А.М. Номдоров Р.У., Хаккулов С. Исследование режима детонационных волн в скважинных зарядах с осевой воздушной полостью // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики сборник научных трудов 15-й международной конференции. Минск 29-30 октября 2019 г. С. 261-263.
12. Каримов Ё.Л., Якубов С.И., Аликулов Г.Н., Латипов З.Ё. Геодинамические активные зоны Тюбегетанского месторождения калийных солей // Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2018. –№2. – С. 41-44.
13. Каримов Ё.Л., Якубов С.И., Муродов Ш.О., Нурхонов Х., Латипов З.Ё. Экологические аспекты Дехканабадского рудного комплекса по добыче калийных руд // Горный вестник Узбекистана. ‒ Навои, 2018. ‒ №3. ‒ С. 23-27.
14. Латипов З.Ё., Каримов Ё.Л., Шукуров А.Ю., Худойбердиев О.Д., Норкулов Н.М. Моделирование и установление координатов центра масс отвала и хвостов тюбегатанского калийного месторождения // Universum: технические науки – Москва, 2021. С. 25-29.
15. Ляхов Г.М. Основы динамики взрывных волн в грунтах и горных породах. – М.: «Недра», 1994. – 192 с.
16. Ляхов Г.М. Ударные волны в грунте и разжижение в водонасыщенном песке // Прикладная механика и техническая физика. – Москва, 1961. – №1. – С. 5-10.
17. Маслов Н.Н. Условия устойчивости водонасыщенных песков. – М.: Госэнергоиздат, 2009.
18. Мислибоев И.Т., Каримов Ё.Л., Латипов З.Ё., Абдусоатов С.З.,Норкулов Н.М. Разработка рекомендаций по оптимизации параметров блока при системе с магазинированием руды на месторождений Зармитан // Universum: технические науки. – Москва, 2021. – №6(87). – С. 24-27
19. Норов Ю.Д., Каримов Ё.Л., Латипов З.Ё., Боймуродов Н.А. Вскрытие и подготовка при валовой выемке сложных рудных тел с прослоями и включениями пород на месторождении «Зармитан» // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики сборник научных трудов 15-й международной конференции. Минск – Тула – Донецк 29-30 октября 2019 г. С. 178.
20. Покровский Г.И., Феодоров И.С. Действия удара и взрыва в деформируемых средах. Изд. 2. ‒ М., 2017. ‒ 276 с.
21. Родионов В.Н., Адушкин В.В. и др. Механический эффект подземного взрыва. ‒ М.: «Наука», 1986. ‒ 285 с.
22. Суханов А.Ф., Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. Изд. 4-е. ‒ М.: «Недра», 2003. ‒ 334 с.
23. Уринов Ш.Р., Каримов Ё.Л., Норов А.Ю., Авезова Ф.А., Турсинбоев Б.У. Проблема управления энергией взрыва при формировании развала взорванной горной массы на карьерах // Journal of Advances in Engineering Technology – Navoi, 2021. – №2(4). P. 65-71.
24. Ханукаев А.Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. Изд. 2-е. М.: «Недра», 2014. ‒ 224 с.
25. Холиёрова Х.К., Якубов С.Х., Латипов З.Ё. Математические модели оптимизации цилиндрических оболочек с подкрепленными ребрами жесткости // Universum: технические науки. – Москва, 2021. – №2(83). С. 31-33
26. Холиёрова Х.К., Якубов С.Х., Латипов З.Ё., Шукуров А.Ю., Турсунов А.Б. Решение обратной задачи расчета фундаментальных плит силосных корпусов // Universum: технические науки. – Москва, 2021. – №2(83). С. 34-38
27. Якубов С.Х., Латипов З.Ё., Холиёрова Х.К. Оптимизация осесимметричных усеченных конических оболочек // Universum: технические науки – Москва, 2020. . – №12(81). С. 29-34
28. Якубов С.Х., Холиёрова Х.К., Латипов З.Ё. Решение задач оптимизации с учетом специфики процесса проектирования инженерных конструкций на основе системного анализа // Инновацион технологиялар. – Қарши, 2021. – №3(43). С. 37-41
29. Якубов С.Х., Холиёрова Х.К., Латипов З.Ё. Решение задач оптимизации с учетом специфики процесса проектирования инженерных конструкций на основе системного анализа // Инновацион технологиялар. – Қарши, 2021. – №3(43). С. 37-41