ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ ПРОХОДКЕ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на параметры взрывных работ при проходке подземных горных выработок. В настоящее время разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом характеризуется большими объемами проходческих работ и возрастающей глубиной отработки. Добыча полезных ископаемых на больших глубинах связана с увеличением интенсивности естественных напряжений в массиве горных пород, которые существенно влияют на результаты взрывных работ в различных формах. В зависимости от физических свойств пород, которые пересекаются забоем, существуют разные способы проведения  выработок в крепких и мягких породах

ABSTRACT

The work investigated the influence of the stress-strain state of rocks on the parameters of blasting operations during the excavation of underground mine workings. Currently, the development of mineral deposits using the underground method is characterized by large volumes of tunneling work and increasing mining depth. Mining at great depths is associated with an increase in the intensity of natural stresses in the rock mass, which significantly influences the results of blasting operations in various forms. Depending on the physical properties of the rocks that are intersected by the face, there are different ways to carry out workings in hard and soft rocks.

Ключевые слова: Технология буровзрывных работ, с напряженно-деформированное состояние массива, взрывной волны, управление качеством дробления горного массива, устойчивость, оптимальных параметров буровзрывных работ

Keywords:  The technology of drilling and blasting operations, with the stress-strain state of the rock mass, blast wave, quality control of rock mass crushing, stability, optimal parameters of drilling and blasting operations.

Механизм разрушения горных пород взрывом заряда ВВ достаточно сложен, ввиду того, что процесс разрушения происходит за очень короткое время при достаточно больших значениях динамических нагрузок. Поэтому до сих пор не выработана единая точка зрения на проблему разрушения горных пород взрывом. Многие ученые пытались вскрыть физическую сущность процесса деформирования среды под действием взрыва, энергетические параметры этого процесса и методы управления им. Однако, результаты исследований разнообразны и частично противоречивы[1-15].

Проводимые исследования различаются в системе подхода к проблеме действия взрыва в массиве горных пород. В основном это три направления, базирующиеся на гидродинамике, волновой теории и гипотезе о двух составляющих поля напряжений.

Взрыв представляет собой процесс высокоскоростного динамического нагружения горных пород. Однако, характер нагружения пород при взрыве и возникающие при этом деформации массива трактуются по разному. С позиции концепций гидродинамики и теории ударных волн - процесс взрывного динамического нагружения рассматривается в виде единичного пикового импульса давления, действующего определенный промежуток времени. Концепция о двух составляющих поля напряжений предполагает наличие в начале процесса ударной нагрузки, а затем медленно изменяющейся во времени квазистатической нагрузки. Характер нагружения и принятые критерии разрушения в каждом из этих направлений различны.

В. настоящее время многие ученые полагают, что процесс передачи энергии взрыва окружающей среде невозможно заключить в, рамки ударной, волны. В.И. Плужник и В.А. Даниленко установили, что детонация взрывчатого вещества носит пульсирующий характер. Это же явление зафиксировано американскими учеными. Сейсмографическая и акустическая аппаратура, установленная на различных расстояниях от взрыва, фиксирует не единичный пиковый импульс ударной волны, а цикл гармонических синусоидальных колебаний, причем сейсмоприемники регистрируют вначале серию низко амплитудных колебаний; за которыми следуют колебания, с более высокой амплитудой; а не наоборот. В таком случае нагружения горных пород при взрыве представляет собою динамический пульсирующий колебательный процесс со сравнительно небольшим количеством: активных циклов нагружения. Механизм разрушения горных пород, взрывом можно рассматривать с позиций, малоциклической усталости, материалов, горных пород, имеющих относительно небольшую величину предела прочности на растяжение. Основываясь на этих: исследованиях [6] А.А. Вовк, A.Г. Смирнов, Ю.Л.Бондаренко предложили гипотезу о двух составляющих поля напряжений вблизи заряда: высокочастотных соответствующих фронту ударной волны и длиннопериодных, обусловленных квазистатической нагрузкой от действия продуктов детонации взрывчатого вещества.

Из приведенного выше краткого анализа основных представлений о механизме разрушения горных пород видно, что они сильно различаются, в зависимости от принятого авторами исходного фактора разрушения горных пород взрывом.

Выявление закономерностей процесса трещинообразования в массиве пород при их взрывном нагружения является одной из самых сложных задач при изучении механизма разрушения горных пород, в том числе при контурном взрывании.

Характерной особенностью процесса разрушения при взрывном нагружения является то, что при этом имеют место локальные деформации и напряжения высокой интенсивности, вызывающие разрушения в одной части массива, независимо от того, что происходит в других его частях. Локальная независимость разрушений при динамическом нагружения приводит к тому, что в отличие от статического приложения нагрузки, в массиве зарождается и распространяется не одна, а несколько трещин.

При динамическом разрушении горных пород наблюдается возрастание прочностных характеристик по сравнению с их значениями, определенными в статических условиях. Возрастание прочности горных пород является следствием запаздывания разрушения по отношению к моменту приложения нагрузки. Чем выше скорость нагружения, тем больше относительная величина времени запаздывания и тем выше предельные значения напряжений.

Процесс разрушения можно разделить на несколько стадий: концентрация напряжений в отдельных областях (точках) массива; возникновение в нагруженном массиве зародышевых микротрещин; переход к более крупным микротрещинам, а затем и к макротрещинам.

Кинетическая концепция наиболее полно отражает физическую природу прочности и может служить основой исследований в механике разрушения. Сейчас нельзя говорить о законченной кинетической теории разрушения, так как многообразие возникающих напряжений и их изменение в пространстве и времени настолько сложны, что не позволили пока создать теорию, которая моглабы объяснить механизм явления и его природу и стала бы основой для инженерных расчетов.

Для решения практических задач вполне приемлемой остается хорошо развитая теория хрупкого разрушения, хотя она и неполно отражает реальные процессы изменения напряженно-деформированного состояния массива. Основным допущением этой теории является то, что процесс наступления разрушения постулируется как мгновенное событие, происходящее по достижению некоторой критической величины.

Положения математической теории упругости используются в данной работе при рассмотрении напряженно-деформированного состояния массива горных пород. При этом рассматриваются два основных направления изменение напряженного состояния горных пород и реакция горных пород на это изменение. Взаимосвязь этих направлений при соответствующей точности отображения параметров деформированной среды в расчетных схемах и является первоочередной задачей.

В механике горных пород широко используются критерии наибольших растягивающих и наибольших касательных напряжений, которые используются нами в исследованиях.

Обзор исследований процесса трещинообразования в твердых хрупких средах при действии нагрузок позволяет сделать следующие выводы.

Теория хрупкого разрушения Гриффитса-Ирвина упрощает явление разрушения среды, рассматривая горный массив как среду, в которой имеются "зародыши трещин, "слабые места", с которых начинается разрушение под воздействием прилагаемой нагрузки. Экспериментальные данные свидетельствуют, что характер трещинообразования зависит не только от абсолютного критического напряжения, но и времени, в течение которого среда находится в напряженном состоянии.

Разрушение массива горных пород действием взрыва, несмотря на его скоротечность, необходимо рассматривать с учетом фактора времени, как динамический процесс образования и развития трещин. Для решения практических задач используют теорию хрупкого разрушения и наиболее математически разработанный аппарат теории упругости.

Исследования, проведенные Э.О. Миндели [9], показывают, что в зависимости от величины напряженного состояния и вида поля статического напряжения разрушение среды при взрыве может иметь различный характер. Так, объем разрушения в исследованной модели в форме цилиндра внешним диаметром 155мм и высотой 250мм, имеющей с одного торца цилиндрическую полость диаметром 66 мм и высотой 40 мм (имитация выработки), зависит не только от степени напряженного состояния модели, но и от величины вертикальной и горизонтальной составляющих внешнего давления.

Также прослеживается закономерность, что с увеличением разности между вертикальной и горизонтальными составляющими внешнего давления оббьем разрушения в модели возрастает, при равномерном объемном нагружения модели, увеличение напряженного состояния среды приводит к уменьшению объема разрушения.

В работе В.В. Адушкина [3-5] изучалась качественная картина развития взрыва сферического заряда внутри блока из плексигласа. В ходе работ были сопоставлены кинокадры развития взрыва в блоке при различных условиях: при отсутствии сжимающего давления и при гидростатическом сжатии под давлением 500 кг/см². В обоих случаях заряд весом 0,8 г тэна располагался в центре блока его плотность составляла 1,5 г/см^З и начальный радиус г₀ = 5 мм. Блок был склеен из двух пластин полимеризующейся смолой, размер блока: высота h=100мм., ширина d=100 мм., и длина 1=150 мм. Размер зарядной камеры был выполнен в точности по форме заряда. Из сопоставления кинокадров был сделан вывод, что наиболее интересным и существенным результатом взрыва в образце в условиях все стороннего сжатия является полное отсутствие каких-либо видимых разрушений. Таким образом, в условиях залегания пород на большой глубине, где массив всесторонне сжат горным давлением, разрушающее действие взрыва может уменьшаться, вплоть до исчезновения зоны разрушения материала.

В работе [15], выполненной М.М Фугзаном были поставлены специальные эксперименты по выбору оптимальных параметров буровзрывных работ, учитывающих влияние напряженного состояния массива.

Лабораторные эксперименты в масштабе 1:20 проводились на плоских моделях из органического стекла толщиной 20 мм. В опытах изменяли л.н.с, величину выемочной мощности и статическую нагрузку. Величина л.н.с. выбиралась из условия обеспечения оптимального показателя действия взрыва, равного 1.41. Модель в специальной металлической кассете, с окном для съемки поля взрыва, помещали под прессом. Величину осевой нагрузки изменяли от 0 до5000 кг. Таким образом, напряжения в модели составляли 0, 30, 60, 120 и 200кг/см². Величина заряда порошкообразного тэна менялась от 200 до 450 мг., радиус заряда составлял 2 мм. Инициирование производилось капельками азида свинца.

Опыты показали, что оптимальный объем воронки выброса зависит от напряженного состояния модели, величины л.н.с. и величины заряда. По сравнению с взрывами в моделях без нагрузки объем воронки выброса вначале увеличивался, но затем с ростом нагрузки сокращался и даже наблюдались камуфлеты.

Взрывы без нагрузки при величинах л.н.с. больше или меньше оптимальной сопровождаются ростом затрат энергии на сейсмическое действие взрыва, что, как следствие, приводит к увеличению зоны законтурных разрушений.

Приложение статической нагрузки вызывает появление у обнаженной поверхности зоны пониженной концентрации напряжений (зоны отжима), за которой следует зона повышенной концентрации напряжений. В том случае, когда заряд расположен в зоне повышенной концентрации напряжений, показатели действия взрыва ухудшаются, вследствие увеличения доли энергии, расходуемой на достижение критических значений растягивающих и касательных напряжений. Доля затрат энергии на сейсмическое действие взрыва увеличивается, следовательно, растет и зона законтурных разрушений.

При взрыве заряда, расположенного на границе зон пониженной и повышенной концентрации напряжений улучшается эффективность использования энергии взрыва на дроблении и уменьшается доля энергии, идущая на вредное сейсмическое действие.

Это объясняется тем, что в этом случае накопленная энергия деформации уменьшает критические значения растягивающих и касательных напряжений. Сопротивление среды по л.н.с. уменьшается, следовательно, и доля энергии, идущая на сейсмическое действие взрыва, уменьшается. Воронка выброса в этом случае оказывается максимальной, при минимальной зоне законтурных разрушений.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что для конкретных условий и напряженного состояния массива существует оптимальная величина л.н.с, при которой обуславливается более интенсивная степень разрушения массива вследствие перераспределения энергии взрыва вблизи обнаженной поверхности.

Список литературы:

1. Mislibayev, I. T., Nurxonov, X. A., & Latipov, Z. Y. (2023). YER OSTI KON LAHIMLARINI KONTURLI PORTLATISHDA ZARYADLARNING ZAMONAVIY KONSTRUKSIYASINI ISHLAB CHIQISH. Sanoatda raqamli texnologiyalar/Цифровые технологии в промышленности, 1(1), 79-85.
2. 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
3. Адушкин В.В. Модельные исследования разрушения горных породвзрывом. // Сборник ≪Физические проблемы разрушения горных пород≫.М., ИПКОН РАН, 1998г. - с. 18-29.
4. Адушкин В.В., Спивак А.А. Разрушающее действие взрыва впредварительно напряженной среде // ФТПРПИ. — 2002. - № 4. - С. 61-69.
5. Адушкин В.В., Щекин Л.Н. О влиянии горного давления на характерразрушения пород взрывом //Проблема разрушения горных пород,взрывом. - М.: Недра, 1967.-С. 28-32.
6. Вовк А.А., Лучко И.А., Управление взрывным импульсом в породныхмассивах, Киев, ≪Наукова Думка≫, 1985.
7. Заиров, Ш. Ш., Каримов, Ё. Л., Латипов, З. Ё. У., & Исроилов, У. У. У. (2023). УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГИЕЙ ВЗРЫВА ПРИ ДРОБЛЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ ВВ. Universum: технические науки, (4-3 (109)), 31-34.
8. Заиров, Ш. Ш., Каримов, Ё. Л., Латипов, З. Ё. У., Холиёрова, Х. К., & Хазратов, Х. Л. (2023). РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЗРЫВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД С СОХРАНЕНИЕМ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ РУДНЫХ ТЕЛ. Universum: технические науки, (4- 12(117)), 17-21.
9. Миндели Э.О., Филанов В.И. К исследованию разрушения статическинапряженных сред действия взрыва. // Взрывное дело № 67/24 М. Недра,1969 г.
10. Мислибоев, И. Т., Каримов, Ё. Л., Абдусоатов, С. З. У., & Норкулов, Н. М. У. (2021). Разработка рекомендаций по оптимизации параметров блока при системе с магазинированием руды на месторождений Зармитан. Universum: технические науки, (6-2 (87)), 24-26.
11. Норов, Ю. Д., Каримов, Ё. Л., Латипов, З. Ё., & Боймуродов, Н. А. (2019). Вскрытие и подготовка при валовой выемке сложных рудных тел с прослоями и включениями пород на месторождении «Зармитан».
12. Носиров, У. Ф., Каримов, Ё. Л., & Латипов, З. Ё. У. (2023). АНАЛИЗ СМЕЩЕНИЯ ГОРНОГО МАССИВА ПРИ ВЗРЫВАНИИ «В ЗАЖАТОЙ СРЕДЕ» И ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗВАЛА ПРИ МАССОВЫХ ВЗРЫВАХ НА КАРЬЕРАХ. Universum: технические науки, (4-3 (109)), 35-39
13. Нурхонов, Х. А., Каримов, Ё. Л., Хужакулов, А. М., & Латипов, З. Ё. (2020). Методика расчета параметров контурного взрывания предварительного щелеобразования. Кончилик хабарномаси, (81).
14. 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.
15. Фугзан М.И. Изучение действия взрыва в предварительнонапряженной среде. // Физико-технические исследования разработки иобогащения руд. //М. 1973 г.