Учёт динамических воздействий взрывных работ при определении оптимальных параметров очистных выработок и целиков
Большое количество одновременно взрываемых взрывчатых веществ (ВВ) при проведении очистных работ приводит к необходимости учитывать динамические воздействия взрывов на устойчивость выработок и целиков.
В породах после взрыва имеет место волновое движение среды, характеризующееся изменяющимися во времени и в пространстве напряжениями и деформациями, скоростями перемещения частиц породного массива, скоростями распространения деформаций. При этом каждая точка среды, по мере прохождения волны напряжений, последовательно будет оказываться в различных напряженных состояниях. В зависимости от удаления точки от центра заряда, мощности взрыва, а также деформационно-прочностных характеристик массива пород наблюдаемые напряжения, перемещения, деформации и другие параметры могут иметь различные значения и зачастую превосходить пределы прочности пород. Вследствие этого в окружающем массиве будут развиваться области разрушения.
На весьма близких расстояниях от центра заряда горные породы разрушаются под воздействием высоких давлений, которым сопутствуют скорости смещения частиц, исчисляемые сотнями и тысячами метров в секунду, а также температуры до нескольких тысяч градусов. Эту зону называют зоной раздавливания или сжатия.
Далее от заряда располагается зона горных пород, где разрушение происходит с образованием трещин кольцевого и радиального направлений. Она называется зоной трещинообразования или разрыхления. Ее размеры, так же как и зоны сжатия, принято оценивать по отношению к радиусу заряда Ro.Абсолютные значения радиальной протяженности зоны разрыхления обычно не превышают нескольких метров.
Зоны сжатия и трещинообразования образуют так называемую ближнюю зону действия взрыва.
Непосредственно за ближней зоной в массиве выделяют среднюю зону, где максимальные напряжения уже недостаточны для разрушения (раздавливания) пород, однако возможно появление упруго-пластических, в том числе и сдвиговых деформаций, перемещений отдельных блоков, раскрытие трещин и развитие разрушений по поверхностям других структурных неоднородностей. Обычно протяженность средней зоны составляет около 100 Ro,, т. е. достигает одного - двух десятков метров.
Затем простирается дальняя зона или зона сотрясения, в которой проявляются главным образом упругие деформации.
Перечисленные зоны не имеют резких границ, их выделение носит в известной степени условный характер.
При любом воздействии нагрузки на деформирующийся элемент в последнем возникают два вида деформаций: один из них характеризует изменение объема элемента (деформации сжатия—растяжения), другой—изменение его формы (деформации сдвига). При однократном импульсном воздействии в среде одновременно возникают оба вида указанных деформаций, однако их дальнейшее распространение в массиве происходит с различными скоростями. В результате этого, в отличие от статического нагружения, когда тензор деформаций в каждой точке в любой момент времени содержит все девять компонентов, в условиях динамического воздействия нормальные и сдвиговые компоненты разделены во времени, а, следовательно, и в пространстве.
Если волны деформаций или напряжений достигают границы каких-либо сред, то в общем случае возникают две отраженные—продольная и поперечная—и две преломленные (тоже продольная и поперечная) волны.
Особое значение для практики имеет случай нормального падения на границу раздела плоской продольной волны, при котором возникают лишь продольные отраженные и преломленные волны, амплитуды которых зависят от акустической жесткости сред:
r2vP2 - r1vP1
А2 = А1-------------------
r2vP2 + r1vP1
(5.20)
2r1vP1
А2 = А1-------------------
r2vP2 + r1vP1
где A1—амплитуда падающей плоской продольной волны; А2, A4,—амплитуда соответственно отраженной и преломленной продольных волн, r1, r2—плотность соответственно первой и второй сред; vP1, vP2—скорость распространения продольной волны соответственно в первой и второй средах.
В различных породных массивах могут быть различные соотношения акустических жесткостей контактирующих сред. Особенно опасен случай, когда r2v2=0. Такому случаю соответствуют условия на поверхности обнажения пород в выработках, поскольку, как это следует из первой формулы системы (5.20), на поверхности обнажения амплитуда перемещений в отраженной волне противоположна по знаку амплитуде падающей волны. Другими словами, при падении волны сжатия отраженная волна представляет собой волну растяжения.
С процессом отражения волн напряжений от поверхности обнажения в выработках обычно и связывают явления трещинообразования, отколов, вывалов и других видов потери устойчивости выработок, обусловленных воздействием взрывных работ. При этом необходимо отметить, что единых представлений о механизме разрушения реальных материалов под воздействием падающих и отраженных волн при взрывах ВВ пока нет. Поэтому большинство методов учета влияния взрывных работ представляют собой эмпирические подходы, которые базируются исключительно на результатах натурных наблюдений и экспериментов.
В частности, в начале 50-х годов, когда были зафиксированы первые массовые случаи разрушения горных выработок при взрывных работах вследствие применения отбойки глубокими скважинами, был предложен метод оценки устойчивости междукамерных целиков, исходя из значений линии наименьшего сопротивления и диаметра заряда. Условия устойчивости при этом имеют вид неравенства
b³ 3w;(5.21)
b³ 100 dз
где b—устойчивая ширина целика; w—линия наименьшего сопротивления; dз—диаметр заряда.
Однако в этих зависимостях совершенно не учтены деформационно-прочностные характеристики пород, а также масса заряда и тип ВВ.
Эти недостатки устранены в методе оценки сейсмоустойчивой ширины целиков, предложенном профессором А. Н. Ханукаевым. При этом учет влияния взрывных воздействий основан на определении так называемых критических значений приведенной массы заряда Q (или обратной ее величины—приведенного расстоянияR):
Приведенная масса Q представляет собой расчетный параметр, связывающий массу заряда q и расстояние от центра заряда r:
Q = 3Ö q/r(5.22)
Для определения устойчивой ширины целика по экспериментальным данным устанавливают эмпирическую зависимость между радиальными напряжениями и приведенным расстоянием R, а затем возможные радиальные напряжения сравнивают с пределом прочности пород на растяжение.
Таким путем определяют то критическое значение R, которое соответствует пределу прочности пород на растяжение, и, исходя из этого значения, устанавливают параметры целиков так, чтобы в них исключалось возникновение опасных разрушающих напряжений. Если же изменить размеры целиков невозможно или нецелесообразно, то необходимо уменьшать массу одновременно взрываемого заряда. Весьма эффективно при этом применение короткозамедленного взрывания.
Однако и этот метод не дает возможности учесть в полной мере, как свойства пород, так и особенности их разрушения при взрывных воздействиях.
Дальнейшим развитием подобных эмпирических подходов следует считать методы оценки устойчивости краевых зон выработок и целиков по формулам типа:
rc = K3Ö q,(5.23)
где rc —радиус безопасного сейсмического воздействия взрыва; К—эмпирический коэффициент, учитывающий деформационно-прочностные свойства массива пород.
На рис 5.14 представлены экспериментальные зависимости размеров сейсмобезопасных целиков от массы заряда ВВ, взрываемого одновременно для условий рудников с различными значениями коэффициента К.
Максимальные значения К, а, следовательно, и максимальные радиусы сейсмического воздействия соответствуют слоистым породам с широким развитием глинистых прослойков, высокотрещиноватым и рассланцованным породам. Минимальные значения свойственны относительно монолитным рудам с расстоянием
 |
Рис. 5.14. Зависимости размеров сейсмобезопасных целиков от массы заряда ВВ для различных рудников.
1—Каула, 2—им Губкина, 3—Миргалимсайский, 4 — им. Коминтерна, 5— Дегтярский, 6—Зыряновский и Таштагольский; 7 — им. Р Люксембург, 8 —Высокогорский.
между трещинами в них 1— 1,5 м.
Если при оценке устойчивости обнажений пород описанными методами выявлена вероятность их разрушения под воздействием взрывных нагрузок, то необходимо предусматривать специальные мероприятия, направленные на повышение устойчивости элементов систем разработки. При этом весьма эффективным методом является изменение формы целиков, в частности, оформление целиков с наклонными стенками (с вертикальными сечениями в виде трапеций) или придания им криволинейных очертаний.