Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Ганопольский Михаил Исаакович
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПО ДЕЙСТВИЮ УДАРНЫХ ВОЗДУШНЫХ ВОЛН НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (в горной промышленности)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет на кафедре Взрывное дело
Научный консультант
доктор технических наук, профессор Владимир Арнольдович БЕЛИН
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Виктор Иванович ДРЕМОВ
доктор технических наук, профессор Геннадий Петрович ПАРАМОНОВ
доктор технических наук, профессор Юлий Григорьевич ЩУКИН
Ведущая организация - ФГУП Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А.Скочинского
Защита состоится л__ __________ 2011 г. в ___ часов на заседании
диссертационного совета Д-212.128.06 при Московском государственном
горном университете (119991, г.Москва, Ленинский проспект, д.6)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.
Автореферат разослан л__ _________ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук В.Н.Королева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Взрывные работы являются неотъемлемым элементом технологического процесса на карьерах, рудниках, шахтах и разрезах, при разработке траншей и котлованов и т.д. При этом взрывы часто приходится выполнять рядом с жилыми кварталами и на территории работающих предприятий. Это требует строгого соблюдения необходимых мер промышленной безопасности.
Ударные воздушные волны (УВВ) являются нежелательными побочными эффектами при производстве взрывных работ. УВВ часто накладывают большие ограничения на массу взрываемых зарядов, чем сейсмическое действие взрывов, а контроль и прогнозирование ожидаемых параметров УВВ более затруднительным, чем оценка воздействия сейсмических колебаний.
В настоящее время расчет радиусов опасной зоны по действию УВВ при взрывах на земной поверхности осуществляют в соответствии с указаниями раздела VIII Единых правил безопасности при взрывных работах (ЕПБВР), которые относятся к взрывам наружных и углубленных на свою высоту зарядов большой массы (применяются при определении безопасных расстояний от складов ВМ), к взрывам на выброс и сброс с показателем действия взрыва n=3 и к расчету радиуса опасной зоны по действию УВВ на застекление (1-я степень безопасности - отсутствие повреждений) для взрывов наружных зарядов (взрывы по дроблению негабарита) и скважинных (шпуровых) зарядов рыхления.
Во многих случаях ведение взрывных работ производится в условиях, существенно отличающихся от условий, рассмотренных в ЕПБВР. Например, взрывание шпуровых зарядов малой массы (в т.ч. с использованием укрытий), взрывы на выброс и сброс с показателем действия, отличным от n=3, подводные взрывные работы, выполнение взрывных работ в стесненных условиях с допустимостью частичного или полного повреждения застекления и др.
Таким образом, проблема обеспечения промышленной безопасности при производстве взрывов на открытых горных работах и в строительстве и повышения надежности определения безопасных режимов взрывания по действию УВВ на земной поверхности имеет важное социальное и хозяйственное значение, и ее решение является актуальным.
Результаты выполненных исследований позволяют дополнить имеющиеся в ЕПБВР рекомендации по расчету радиусов опасной зоны по действию УВВ и распространить их на более широкий круг взрывных работ, что способствует обеспечению промышленной безопасности производства взрывных работ.
Целью работы является установление закономерностей изменения параметров УВВ с учетом влияния физико-технических свойств взрываемых пород, технологических условий и используемых технических решений производства взрывных работ, а также метеоусловий, сложившихся на момент взрыва, для обеспечения промышленной безопасности ведения различных видов взрывных работ по действию УВВ на земной поверхности.
Основная идея работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании методики расчета массы эквивалентного заряда (т.е. такой массы наружного заряда, размещенного на граничной плоскости абсолютно жесткого полупространства, при взрыве которого излучается УВВ с такой же головной частью, что и при взрыве рассматриваемого заряда), учитывающей взаимосвязи основных факторов, влияющих на условия образования и распространения УВВ.
Методы исследования: анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей; многолетние инструментальные измерения параметров УВВ, возникающих при различных видах взрывных работ; видеосъемка процессов вылета забойки из скважин и шпуров, формирования и динамики развития пылегазового облака при наземных взрывах и султана воды при подводных взрывах; системный анализ, позволяющий установить взаимосвязи между геотехническими условиями производства взрывных работ и выявить основные факторы, влияющие на условия образования и распространения УВВ, установить их качественные и количественные характеристики; анализ и обработка результатов измерений с использованием методов математической статистики с сопоставлением полученных результатов и инструментальных данных.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности изменения параметров УВВ и эквивалентность наружного и скважинных зарядов определяются физико-техническими свойствами взрываемых горных пород и материалов, параметрами и условиями взрывания зарядов, метеоусловиями в районе производства работ. Горные породы и материалы классифицированы по влиянию их физико-технических свойств на интенсивность излучения УВВ, которое в расчетных формулах учитывается коэффициентом КТ. Влияние метеоусловий на параметры УВВ учитывается коэффициентом КМ.
2. При определении массы эквивалентного заряда в случае взрывов скважинных и шпуровых зарядов учитывают относительную длину забойки и материал, из которого она выполнена. При оценке влияния забойки на снижение интенсивности УВВ следует различать забойку трех видов: забойка 1-го вида, когда ПВ начинают истекать из устья скважины до того, как скважина, расширяясь, приобрела максимальный объем; забойка 2-го вида, когда ПВ начинают истекать после того, как скважина приобрела максимальный объем; забойка 3-го вида, когда ПВ истекают после разрушения массива и образования в нем трещин, или вообще не истекают.
3. При взрывах сосредоточенных и удлиненных зарядов выброса и сброса при определении массы эквивалентного заряда следует учитывать приведенную глубину заложения заряда. В случае взрыва удлиненных зарядов масса эквивалентного заряда определяется также длиной заряда, линейной плотностью заряда и расстоянием от заряда до рассматриваемой точки. При взрывах подводных зарядов различного назначения масса эквивалентного заряда определяется параметрами взрываемых зарядов и зависит от толщины слоя воды над зарядом.
4. При короткозамедленном взрывании для исключения сложения УВВ от отдельных групп зарядов и усиления давления в УВВ у охраняемого объекта следует учитывать интервал замедления между группами, расстояние между зарядами и особенности расположения взрываемых зарядов относительно друг друга и относительно охраняемого объекта. Снижение давления в УВВ обеспечивается путем использовании технических и технологических мероприятий (изменение способа инициирования, засыпка зарядов, укрытие мест взрывов и др.).
5. Выбор технических и технологических решений для обеспечения промышленной безопасности по действию УВВ на земной поверхности при выполнении взрывов зарядов различного назначения (наружных, скважинных, шпуровых, выброса и сброса, подводных) и расчет безопасных расстояний следует производить на основе определения эквивалентной массы заряда с учетом основных факторов, влияющих на интенсивность УВВ: массы и конструкции заряда, параметров БВР, физико-технических свойств взрываемых пород и материалов, метеоусловий, используемых мероприятий по снижению интенсивности УВВ, допустимой величины избыточного давления или удельного импульса фазы сжатия в УВВ по воздействию на охраняемые объекты.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены: представительным объемом инструментальных измерений параметров УВВ; сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также сопоставимостью расчетных и фактически зарегистрированных параметров УВВ, полученных при взрывах в различных условиях на горных предприятиях (расхождение не более 20Е25%); положительными результатами внедрения результатов работы в практику производства взрывных работ.
Научная новизна заключается в следующем:
- получены закономерности для определения массы эквивалентного заряда, учитывающих физико-технические свойства взрываемых пород и материалов и технологические условия производства взрывных работ;
- выявлена классификация взрываемых горных пород и строительных материалов в зависимости от влияния их физико-технических свойств на интенсивность излучения УВВ;
- обосновано и установлено влияние длины заряда и длины забойки при определении источников и интенсивности УВВ взрывов скважинных зарядов;
- установлены корреляционные зависимости для расчета параметров УВВ при взрывах различного назначения, учитывающие геотехнические и горно-геологические условия производства взрывных работ;
- обоснованы и установлены рациональные параметры буровзрывных работ, обеспечивающие промышленную безопасность производства взрывных работ по действию УВВ на людей и инфраструктуру.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей влияния различных факторов (физико-технических свойств взрываемых пород, глубины заложения зарядов, параметров скважинных зарядов, толщины слоя воды над зарядом, метеоусловий и др.) на массу эквивалентного заряда и параметры УВВ для обоснования технических и технологических решений, направленных на обеспечение промышленной безопасности ведения взрывных работ по действию УВВ на земной поверхности.
Практическое значение работы заключается в:
- разработке комплекта аппаратуры и способа тарировки датчиков давления для регистрации УВВ в диапазоне давлений 10Е100000 Па и времени действия фазы сжатия УВВ 0,5Е200 мс;
- разработке и внедрении методики расчета массы эквивалентного заряда и параметров УВВ при взрывах зарядов различного назначения, учитывающей свойства взрываемых пород, параметры расположения зарядов, интервалы замедлений, конструкцию защитных укрытий мест взрывов, метеоусловия и др.;
- оценке эффективности использования технических и технологических способов снижения интенсивности УВВ при расчетах размеров опасной зоны действия УВВ при взрывах;
- разработке Руководства по определению радиуса опасной зоны действия ударных воздушных волн при взрывах на земной поверхности;
- внедрении результатов исследований в практику проектирования и производства взрывных работ на открытых горных работах и в строительстве.
Реализация результатов работы.
Расчетные закономерности по определению эквивалентной массы скважинных зарядов и радиуса опасной зоны действия УВВ на застекление вошли в состав подразделов 5.1.9 - 5.1.15 Определение расстояний, безопасных по действию ударных воздушных волн на застекление при взрывании наружных зарядов и скважинных (шпуровых) зарядов рыхления раздела VIII Порядок определения безопасных расстояний при взрывных работах и хранении взрывчатых материалов Единых правил безопасности при взрывных работах ПБ 13-407-01 (утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.01.2001 г. №3).
Составлено Руководство по проектированию и производству взрывных работ при реконструкции промышленных предприятий и гражданских сооружений РТМ 36. 9-88 (утверждено Минмонтажспецстроем СССР 19.08.1988 г.).
Разработано Руководство по определению радиуса опасной зоны действия ударных воздушных волн при взрывах на земной поверхности (согласовано Управлением горного надзора Ростехнадзора, письмо от 17.06.2011 г. №07-03-04/1817).
Результаты исследований и разработанные на их основе рекомендации и указания по расчету безопасных расстояний и режимов взрывания по действию УВВ реализованы: при проектировании и производстве взрывных работ на карьерах Первомайский, Октябрь и Пролетарий ОАО Новоросцемент, карьере ООО Жирновский щебеночный завод и др.; при обосновании промышленной безопасности ведения взрывных работ по действию УВВ при взрывании скважинных и шпуровых зарядов для рыхления скальных грунтов на строительстве котлованов сооружений Москва-Сити; при проектировании подводных взрывных работ для прокладки канализационных дюкеров через р.Лена в Якутии; при производстве взрывных работ по ликвидации опасных производственных объектов на территории ФГУП ПО Прогресс и ФГУП Кемеровский завод Коммунар в г.Кемерово; при проектировании и проведении специальных взрывных работ по обрушению гражданских и производственных зданий и сооружений и дроблению фундаментов (фабрика Дукат, ОАО Завод полиметаллов, радиологический корпус МОНИКИ, панельные жилые здания в Москве, ОАО Рязанский НПЗ, ОАО Славнефть-Ярославнефтеоргсинтез, ОАО Гуковуголь, ОАО Ростовуголь, ДОАО ШУ Дальневосточное и на многих других объектах).
Результаты исследований используются в Московском государственном горном университете при чтении курса лекций и выполнении практических работ по дисциплине Техника, технология и безопасность производства взрывных работ на открытых горных работах и на курсах повышения квалификации специалистов-взрывников.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на IX Всесоюзной научной конференции Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов (Москва, 1987), Х Всесоюзном научно-техническом совещании Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве (Красноярск, 1988), Научных симпозиумах Неделя горняка (Москва, 1997, 2009, 2011), 7-й Международной конференции Проблемы снижения природных опасностей и рисков (Геориск-2009) (Москва, 2009).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 26 работах. В журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки, опубликовано 16 статей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 136 наименований и 2-х приложений, содержит 28 таблиц и 59 иллюстраций.
В решении отдельных задач, проведении полигонных и промышленных экспериментальных исследований и внедрении полученных автором результатов участвовали коллеги автора из ЦПЭССЛ треста Союзвзрывпром, ООО ЦПЭССЛ БВР, производственных организаций, входящих в Ассоциацию Союзвзрывпром, ГОУ ВПО Московский государственный горный университет, ряда других горных и строительных организаций. Есть совместные публикации, авторские свидетельства на изобретения, ссылки на которые приведены в диссертации. Автор выражает признательность научному консультанту доктору технических наук, профессору В.А.Белину, доктору технических наук, профессору В.П.Тарасенко, доктору технических наук В.Л.Барону, сотрудникам кафедры Взрывное дело МГГУ, бывшим сотрудникам ЦПЭССЛ треста Союзвзрывпром Я.И.Цейтлину и кандидату технических наук Н.И.Смолию за содействие и ценную научно-методическую и практическую помощь в процессе проведения исследований и подготовки диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Состояние проблемы и задачи исследований
Ударные воздушные волны (УВВ), являясь одним из проявлений взрыва, представляют потенциальную опасность для людей и окружающих сооружений. К основным параметрам, характеризующим УВВ, относятся избыточное давление на фронте УВВ ΔР, удельный импульс фазы сжатия S+ и время действия положительной фазы сжатия τ+. Степень повреждения сооружений зависит от интенсивности УВВ. Повреждение застекления происходит под воздействием слабых УВВ (избыточное давление на их фронте ΔР<104 Па), которые реализуются, как правило, на больших расстояниях от места взрыва.
Исследованиями закономерностей образования и распространения УВВ при взрывах на земной поверхности занимались В.В.Адушкин, Я.Б.Зельдович, П.Ф.Коротков, Л.Д.Ландау, Г.И.Покровский, М.А.Садовский, Л.И.Седов, С.А.Христианович, Г.Броуд, М.А.Кук, Дж.Рид, Дж.Тейлор и др. Исследованиями параметров слабых УВВ и вопросами обеспечения промышленной безопасности при производстве взрывных работ на земной поверхности занимались Б.А.Аюрзанайн, В.А.Боровиков, А.И.Гончаров, В.И.Дремов, В.Х.Кантор, В.И.Куликов, Г.П.Парамонов, Л.М.Перник, Н.И.Смолий, В.П.Тарасенко, Я.И.Цейтлин, Ю.Г.Щукин и другие. Результаты таких исследований, выполненных за рубежом, приведены в работах Р.Густафсона, В.Л.Барона и др.
В основу теоретических рассмотрений и ряда экспериментальных исследований полонжены во всех отношениях идеальные условия и при этом не учитываются факторы, оказывающие весьма существенное воздейнствие на условия распространения и параметры слабых УВВ. К таким факторам, в первую очередь, относятся физико-технические свойства взрываемых пород и материалов, параметры расположения взрываемых зарядов (глубина заложения заряда, длина и материал забойки, технологические параметры взрывания) и метеоусловия, сложившиеся в приземном слое атмосферы на момент взрыва (температурная стратификация, скорость и направление ветра).
При взрыве наружного заряда ВВ, размещенного на контакте воздух - горная порода, следует учитывать физико-технические свойства этого полупространства и затраты энергии на его деформацию, т.к. они оказывают существенное влияние на распределение энергии в верхнем полупространстве, т.е. в конечном счете на энергию УВВ.
При взрывах на земной поверхности основными являются метод скважинных и метод шпуровых зарядов. Достаточно широко используют также взрывы сосредоточенных и удлиненных зарядов выброса и сброса, проводятся взрывы и в подводных условиях. Параметры используемых зарядов изменяются в довольно большом диапазоне.
Автором (1984 г.) были получены эмпирические формулы для расчета параметров слабых УВВ при взрывах наружных зарядов и для определения эквивалентной массы скважинного заряда, которые учитывают параметры взрываемых зарядов (длина заряда, длина и материал забойки, диаметр заряда и др.). Результаты этих исследований включены в действующие ЕПБВР.
Потенциальными источниками излучения УВВ при взрывах заглубленных зарядов являются прорыв продуктов взрыва в окружающую среду; купольный подъем грунта в эпицентре взрыва; сейсмические волны, преломленные из грунта в воздушную среду; вылетающая забойка. Указанные источники излучения УВВ проявляются различным образом в зависимости от конструкции и параметров взрываемых зарядов. Очевидно, что параметры УВВ тесно связаны с закономерностями движения забойки, продуктов взрыва (ПВ) и движения грунта в эпицентральной области взрыва. Расширением стенок скважины во времени, зависящее от физико-технических свойств взрываемых пород, определяются изменение давления ПВ, а следовательно, и начальные параметры вылета грунтовой забойки и истечения продуктов взрыва из скважины.
При проведении подводных взрывов необходимо считаться не только с возможным ущербом ихтиофауне, но и с повреждением застекления промышленных и жилых сооружений. Из данных, полученных при опытнных подводных взрывах в мелких водоемах, слендует, что УВВ образуется как вследнствие преломления гидроударной волны на границе вонда - воздух, так и в результате подъема водяного купола со сверхзвуковой скоростью. Помимо указанных двух источников, УВВ будет излунчаться также при прорыве газообразных продуктов взрыва через слой воды. Таким образом, источники образования УВВ при подводных взрывах аналогичны источникам образования УВВ при взрывах заглубленных зарядов. Это позволяет использовать результаты соответствующих исследований параметров УВВ от взрывов заглубленных зарядов и при прогнозировании параметров УВВ при подводных взрывах.
Известно, что слабые УВВ чувствительны к метеонусловиям района в момент взрыва. Эти условия могут быть благопринятны для распространения УВВ вдоль земли и неблагоприятны. При прочих равных условиях давление на фронте УВВ в первом случае монжет быть существенно выше среднего. С аномальными метеоусловиями связаны случаи сверхдальненго распространения УВВ и неожиданного и часто массового поврежндения застекления.
Для предотвращения неблагоприятных последствий взрывов необходимо учитывать влияние метеоусловий на параметры УВВ. С этой целью в формулы для расчета давления на фронте УВВ вводится коэффициент КМ, зависящий от метеоусловий и учитывающий возможность появления неблагоприятных метеоусловий, когда КМ>1. Значения коэффициента КМ определяются не только в зависимости от величины возможного максимального увеличения давления в УВВ, но и вероятностью реализации, которая в свою очередь связана с вероятностью реализации метеоусловий в зависимости от сезона проведения взрывных работ и расстояния между местом взрыва и пунктом наблюдения. Автором (1984 г.) была проведена статистическая обработка метеоданных и установлены (с обеспеченностью 98%) значения коэффициента метеоусловий КМ в зависимости от расстояния до места взрыва и сезона производства взрывных работ (табл. 1).
Таблица 1
Значения коэффициента КМ
Сезон | Расстояние | ||
до 200 м | от 200 м до 2000 м | более 2000 м | |
етний (с апреля по октябрь) | 1 | 3 | |
Зимний (с ноября по март) | 1 | 5 | |
Наиболее слабым конструктивным элементом сооружений является их застекление. Очевидно, что при обеспечении сохранности застекления обеспечивается сохранность и других конструкций сооружений, если речь идет о действии
УВВ взрывов. Установлено, что повреждение застекления и др. конструкций носит вероятностный характер и зависит не только от интенсивности УВВ, но и от продолжительности прикладываемой нагрузки, величины допустимых напряжений, размеров самой конструкции. Автором (1984 г.) были выполнены специальные эксперименты и получены значения предельно допустимых нагрузок (удельный импульс фазы сжатия и избыточное давление на фронте УВВ), при превышении которых происходит повреждение застекления.
В соответствии с изложенным выше в диссертации были поставлены следующие основные научные и практические задачи:
1. Исследование и установление закономерности изменения параметров УВВ при изменении условий взрывания зарядов различного назначения.
2. Оценка эффективности изменения давления в УВВ в зависимости от изменения параметров зарядов и режимов взрывания.
3. Обоснование технических и технологических мероприятий, обеспечивающих снижение отрицательного воздействия УВВ (КЗВ, способы инициирования зарядов ВВ, использование защитных укрытий мест взрывов и др.).
4. Повышение надежности прогнозирования параметров УВВ при взрывании в различных горнотехнических условиях за счет учета влияния физико-технических свойств взрываемых пород и материалов, параметров зарядов и метеоусловий, сложившихся на момент взрыва.
5. Установление критических и допустимых величин избыточного давления и удельного импульса фазы сжатия в УВВ по действию на застекление в зависимости от принятой степени безопасности.
6. Разработка методики прогноза промышленной безопасности производства взрывных работ по действию УВВ на земной поверхности.
УВВ при взрывах наружных и заглубленных зарядов
При взрыве заряда ВВ в окружающее его пространство излучается УВВ, основным источником которой являются прорвавшиеся из очага взрыва газы ПВ (газовая составляющая). При взрыве в безграничном пространстве сосредоточенного заряда избыточное давление на фронте УВВ Р подчиняется закону подобия. Для определения сейсмического эффекта в ближней зоне взрыва зарядов различного рассредоточения Я.И.Цейтлин ввел понятие лэквивалентный заряд - т.е. такой сферический заряд, который в рассматриваемой точке дает тот же сейсмический эффект, что и данный рассредоточенный.
Для прогнозирования параметров УВВ при взрыве заряда, контактирующего с грунтом, следует учитывать не только параметры и геометрические размеры самого заряда, но и влияние свойства грунта, контактирующего с зарядом. В случае УВВ лэквивалентный заряд - это лежащий на граничной плоскости абсолютно жесткого полупространства сосредоточенный наружный заряд, который излучает УВВ с такой же головной частью, что и данный контактирующий. Эквивалентный заряд QЭ обладает той же энергией Е (Дж), что и газовые ПВ, истекающие после взрыва через референц-поверхность за характерное время . Референц-поверхность - это такая ближайшая к заряду поверхность, вытекающие через которую ПВ уже не участвуют в котлообразовании и воронкообразовании. В случае скважинного заряда такой поверхностью является устьевое сечение скважины. За характерное время принято время расширения стенок скважины до максимальных размеров.
Таким образом, эквивалентный заряд
, (1)
где Е - энергия газовых ПВ заряда ВВ, идущая на образование УВВ, Дж; - внутренняя энергия 1 кг ВВ, Дж/кг.
Физико-технические свойства скального грунта имеют решающее значение в задаче об УВВ контактирующего заряда. Количество энергии, протекающей через референц-поверхность за характерное время, зависит от изменения во времени давления ПВ внутри объема, ограниченного этой поверхностью, а давление уменьшается с увеличением этого объема. Объем же, в свою очередь, увеличивается за счет образования котла (и купола), причем объем котла и скорость его расширения (а значит и характерное время) зависят от свойств грунта.
При теоретическом рассмотрении влияния свойств взрываемых грунтов на расчет массы эквивалентного заряда определенные трудности встречаются при установлении значений физико-технических характеристик грунтов: скорости продольных волн СР, сопротивления скального грунта раздавливанию , показателя простреливаемости П и др. Смысл выполненных расчетов массы эквивалентного заряда состоит в том, чтобы показать тенденции изменения интересующего нас явления. Поэтому здесь возможно использование не точно известных параметров, характеризующих свойства взрываемых грунтов, а некоторых табличных данных. Это позволило также рассматривать интересующие нас вопросы при взрыве не скважинных зарядов конечной длины, а для бесконечного скважинного заряда, что дало возможность сделать некоторые упрощения в расчетах. При этом следует подчеркнуть, что все выявленные тенденции относятся также и к случаю взрыва скважинных зарядов конечной длины.
При взрыве скважинного заряда сразу после детонации ВВ его ПВ начинают двигаться к устью скважины, а затем и истекать через него. Одновременно начинают раздвигаться стенки скважины вплоть до достижения некоторого максимального размера, зависящего от физико-технических свойств взрываемой породы. По мере расширения скважины уменьшается среднее давление ПВ в соответствии с законом политропы , где Р и Цмгновенное значение соответственно давления и плотности ПВ; Р0 и 0 - начальные средние соответственно давление и плотность; - показатель политропы. С учетом данных К.К.Шведова и А.Н.Дремина в расчетах принято Р0=4х109 Па и =2. Тогда из уравнения политропы следует , и энергия, излученная через устье скважины за характерное время , будет равна
, (2)
где S - площадь поперечного сечения скважины; tЗ - момент начала истечения ПВ из устья.
Введя безразмерное время и и используя определение (1), получим формулу для эквивалентного заряда
. (3)
При определении переменной плотности нужно учитывать изменение объема ПВ V(Х) в скважине во времени, который равен сумме объемов расширившейся скважины VK(X), освобожденного пространства забойки VЗ(X) и купола VKУП(X) к моменту времени Х. Приняв, что изменение объема скважины во времени в пределах 0Х1 будет происходить по закону , определив время расширения стенок скважины до момента (т.е. до максимальных размеров; с учетом данных В.Н.Родионова, В.В.Адушкина и др. и Я.И.Цейтлина для средних скальных грунтов при взрыве цилиндрического заряда оно равно ) и решив уравнение , определяющее зависимость изменения плотности ПВ в скважине от времени, можно определить массу эквивалентного заряда при взрыве скважинного заряда бесконечной длины. Выводы формул и решения уравнений приведены в главе 3 диссертации.
В случае бесконечной скважины, заполненной ВВ до устья, формула для определения массы эквивалентного заряда будет иметь вид
. (4)
Из (4) следует, что эквивалентный заряд пропорционален произведению вместимости скважины на его диаметр и не зависит от длины заряда в скважине
, (5)
где - коэффициент пропорциональности, его величина, как видно из этой формулы, зависит от свойств ВВ и физико-технических свойств взрываемых пород; - вместимость скважины, кг/м.
Масса эквивалентного заряда зависит от свойств пород, на что указывает наличие в формуле (4) произведения СРlnП. Для скальных пород это произведение может меняться в 1,2Е2 раза. Приняв ε=4,3х106 Дж/кг, Р0=4х109 Па и ρ0=1000 кг/м3, из (4) следует, что при взрывании крепких известняков (СР=4500 м/с и П=4) коэффициент К∞=8,1. При взрывании слабых известняков (СР=2500 м/с и П=10) К∞=8,8, а при взрывании гранитов (СР=5500 м/с и П=2) - К∞=13,3.
Величины коэффициента К∞ достаточно хорошо совпадают с данными, полученными при проведении экспериментальных взрывов скважинных зарядов, полностью (до устья) заполненных ВВ (см. ниже).
В случае взрыва конечного скважинного заряда, полностью заполняющего скважину, массу эквивалентного заряда с некоторым приближением можно определить по формуле
, (6)
где - показатель степени в формуле изменения плотности в ПВ в зависимости от длины заряда lЗАР, решение которой может быть представлено в виде =0е-Х; согласно расчетам убывает от 5,45 до 1,61 при возрастании длины заряда от 5d до 100d (чем меньше lЗАР, тем быстрее падает плотность ПВ во времени).
Положив
(7)
и сравнив это выражение с (4) и (5), получим .
При lЗАР=100d (т.е. при =1,61) для известняка (П=4) отношение К/К=0,86 и коэффициент К=7,0. Для гранита (П=2) имеем К/К=0,43 и коэффициент К=5,7. При взрывании слабых известняков (П=10) К/К=1,43 и К=12,3.
На рис.1 показан график зависимости отношения К/К от длины заряда.
Рис.1. Зависимость от
относительной длины
заряда (взрываемые
породы Ц известняки, П=4)
Из графика видно, что коэффициент пропорциональности К для конечного заряда при увеличении его длины до примерно 20d непрерывно возрастает, затем скорость возрастания снижается, а после длины 50d стремится к постоянному значению, характерному для бесконечного заряда.
Результаты экспериментальных исследований параметров УВВ при взрывах наружных и заглубленных зарядов приведены в главе 4 диссертации.
С целью определения эквивалентной массы заряда QЭ была проведена серия опытных взрывов одиночных скважинных зарядов длиной 0,45Е11,1 м, диаметр скважин составлял 0,105Е0,246 м. При этом осунществлялась регистрация параметров УВВ при взрывах скважинных зарядов разной длины, заполняющих скважину до устья. Полученные результаты сравнивались с параметрами УВВ взрывов наружных зарядов.
Масса эквивалентного заряда определялась по приведенной ниже формуле (11) подстановкой в нее известных значений КТ и r и зарегистрированных при взрывах скважинных зарядов величин ΔР. Значения коэффициентов КТ, метеоусловий КМ и В=4,7×105КТКМ определялись на основе регистрации серии взрывов наружных зарядов в конкретных условиях проведения экспериментов.
На рис.2 представлен экспериментальный график зависимости коэффициента (где р - линейная плотность заряда, кг/м) от относительной длины заряда .
Рис.2. Зависимость коэффициента от относительной длины заряда
Видно, что при <20 величина коэффициента К возраснтает с увеличением длины заряда, а при ≥20 достигает величины К=12 и дальше остается постоянной. Следовательно, при длине заряда в скважине более 20 диаметров масса эквиванлентного заряда равна
. (8)
Эти экспериментальные результаты достаточно хорошо подтверждаются приведенными выше теоретическими расчетами.
Для скважинных зарядов длиной менее 20 диаметров масса эквивалентного заряда определяется формулой (7), в которой коэффициент К непрерывно увеличивается по мере возрастания относительной длины заряда lЗАР/d. Коэффициент К при этом определяется по графику рис.2. В целях упрощения расчетов на практике при lЗАР<12d эквивалентную массу можно принимать равной фактической массе заряда .
При взрывах наружных зарядов основным источником образования УВВ также являются расширяющиеся ПВ (газовая составляющая). В теоретических расчетах излучения газовой составляющей УВВ взрывом наружного заряда (с учетом затрат энергии взрыва на образование котла и динамики его развития) в качестве референц-поверхности выбрана полусфера, опирающаяся на край максимального динамического котла. Котел начинает образовываться сразу же после детонации ВВ, однако скорость расширения котла во много раз меньше начальной скорости истечения ПВ. Поэтому можно считать, что граница ПВ с воздухом (контактная поверхность) займет положение референц-сферы в момент t=0.
При дальнейшем распространении контактной поверхности и расширении котла, т.е. образовании дополнительного объема (по сравнению со случаем абсолютно жесткой границы), будет уменьшаться среднее давление ПВ внутри полусферы с радиусом r, а это приведет к снижению скорости истечения ПВ и скорости продвижения контактной поверхности и изменению энергии ПВ, протекающих через референц-полусферу за время t*. Энергия ПВ зависит от размера и режима образования котла, т.е. от физико-технических свойств породы.
Формула для эквивалентной массы при взрыве наружного заряда имет вид
, (9)
где . (10)
Из формул (9) и (10) видно, что масса эквивалентного заряда пропорциональна массе взрываемого заряда. Коэффициент пропорциональности зависит от свойств ВВ и породы. Расчеты, выполненные по формулам (9) и (10) при следующих свойствах ВВ: Р0=4х109 Па, 0=1000 кг/м3 и =4,3х106 Дж/кг, и с учетом физико-технических свойств пород, представленных в табл.2, показывают, что при одной и той же массе заряда интенсивность УВВ, обусловленная газовой составляющей взрыва, тем меньше, чем меньше прочность взрываемых пород. При этом давление в УВВ при взрыве наиболее прочных скальных грунтов (грунты III группы табл.2) более чем в два раза превышает давление в УВВ при взрывании заряда такой же массы на мягких грунтах (грунты I группы).
Автором с использованием специально разработанной аппаратуры (прибор ИДП), позволяющей с погрешностью не более 4% регистрировать параметры УВВ в диапазоне избыточных давлений 10Е100000 Па и времени действия фазы сжатия 0,5Е200 мс, были проведены инструментальные исследования, при которых было зарегистрировано более 1000 опытных полигонных и производственных взрывов наружных зарядов в диапазоне расстояний от 15 до 4800 м. Масса зарядов изменялась от 1 до 840 кг. Породы, при взрывах которых проводились исследования, как и в ЕПБВР, были разделены на 3 группы со сходными значениями физико-технических свойств пород и категорий пород по различным классификациям (см. табл.2). Проведенные исследования показали, что бетонные и кирпичные конструкции могут быть отнесены ко II группе грунтов, железобетонные - к III группе грунтов по табл.2.
Экспериментально установлено, что давление в УВВ при взрыве занряда, размещенного на прочной породе (III группа пород в табл. 2), может быть в 2Е3 раза больше, чем при взрыве заряда, размещенного на поверхности мягкой податливой породы (I группа табл. 2).
Проведенные исследования параметров УВВ и теоретические расчеты позволяют классифицировать взрываемые породы и строительные материалы по влиянию их физико-технических свойств на интенсивность излучения УВВ и установить для них (с обеспеченностью 84%) численные значения коэффициента КТ. Такая классификация приведена в табл.2.
На основании выполненных инструментальных исследований получены формулы (с обеспеченностью 84%) для расчета основных параметров слабых УВВ в прямой волне (т.е. в волне, зарегистрированной на таком расстоянии от заряда,
Таблица 2
Значения коэффициента KТ в зависимости от влияния
физико-технических свойств взрываемых горных пород
и строительных материалов на интенсивность УВВ
Группа пород | I | II | III | |||
Наименование пород и строительных материалов | Песчаники, сланцы, мел, известняк, доломиты, выветрелые серпентиниты и перидотиты, мерзлые грунты | Крепкие известняки, гранодиориты, некрепкие граниты, гранито-гнейсы, серпентиниты, перидотиты, талько-карбо-натные породы; стройматериалы (кирпич, бетон) | Граниты, порфириты, кварциты, базальты, трахилипариты, диориты, габбро плотные, серпентизированный перидотит; стройматериалы (крепкий бетон, железобетон) | |||
Коэффициент крепости по шкале М.М.Протодьяконова | до 8 | 8Е12 | 12Е20 | |||
Категория пород по СНиП | до 6 | 6Е8 | 9Е11 | |||
Категория пород по взрываемости | IЕII | III | IVЕV | |||
Категория массива по трещиноватости | IЕIII | IIIЕIV | IVЕV | |||
Плотность пород, кг/м3х10-3 | 1,3Е2,9 | ср. 2,6 | 2,3Е3,0 | ср.2,7 | 2,5Е3,1 | ср.2,8 |
Предел прочности пород на сжатие, МПа | 12Е180 | ср.60 | 30Е200 | ср.120 | 40Е220 | ср.160 |
Скорость продольных волн, м/с | 800Е 4100 | ср. 2500 | 3400Е 6500 | ср. 4500 | 4900Е 7500 | ср. 5500 |
Модуль упругости, МПах10-2 | 20Е850 | ср.400 | 400Е 1100 | ср.700 | 330Е 1240 | ср.800 |
Коэффициент Пуассона | 0,09Е 0,38 | ср.0,25 | 0,16Е 0,38 | ср.0,28 | 0,18Е 0,32 | ср.0,3 |
Показатель простре-ливаемости, дм/кг | 3Е20 | ср.10 | 2Е10 | ср.4 | 0,2Е5 | ср.2 |
Коэффициент КТ | 1,6 | 1,0 | 0,5 | |||
где метеоусловия и др. факторы не оказывают влияния на условия ее распространения):
- избыточное давление на фронте УВВ
, Па; (11)
- время действия положительной фазы УВВ
, с; (12)
- удельный импульс положительной фазы сжатия
, Пахс; (13)
- приведенная плотность потока энергии УВВ
, Джхкг-1/3; (14)
- полная энергия в головной части фазы сжатия УВВ
, Дж, (15)
где Q - масса наружного заряда, кг; r - расстояние, м; КТ - коэффициент, учитывающий влияние физико-технических свойств взрываемых пород и материалов на интенсивность УВВ (см. табл.2).
Приведенные выше результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров УВВ при взрывах наружных и скважинных зарядов являются подтверждением первого научного положения диссертации.
При определении изменения объема ПВ в скважине V(X) в формуле (3) при взрывании с забойкой возможны три вида забойки: забойка 1-го вида, когда ПВ начинают истекать из устья скважины до того, как скважина, расширяясь, приобрела максимальный объем, т.е. при ХЗ1; забойка 2-го вида, когда ПВ начинают истекать после того, как скважина приобрела максимальный объем, т.е. при ХЗ1, и забойка 3-го вида, когда, еще до вылета забойки, купол в очаге взрыва раскалывается и через него прорываются ПВ.
В случае бесконечной скважины для забойки 1-го вида
(16)
и для забойки 2-го вида
. (17)
где - вместимость скважины.
При наличии у заряда забойки ПВ начинают вылетать из устья скважины через время после мгновенной детонации, где lЗ - длина забойки, U - средняя скорость движения контактной поверхности внутри скважины (определяется, помимо прочего, материалом забойки, его плотностью, силой трения о стенки скважины и др.). Из приведенных в диссертации расчетов следует, что при взрывании крепких известняков условия забойки 1-го вида в случае воздушной забойки имеют место при относительной длине забойки , а условия забойки 2-го вида наступают при 8,5. В случае грунтовой забойки условие забойки 1-го вида имеет место при 4.
При наличии забойки формула (5) может быть представлена в виде
, (18)
где КЗАБ - коэффициент, учитывающий влияние забойки; его значение в квадрате показывает, во сколько раз давление в УВВ при взрыве с забойкой будет меньше давления в УВВ при взрыве заряда ВВ, полностью (до устья) заполняющего скважину (в последнем случае коэффициент КЗАБ=1); при воздушной забойке коэффициент забойки обозначается как КВЗ, при грунтовой забойке КГЗ.
При воздушной забойке в случае забойки 1-го вида (ХЗ1)
. (19)
Например, в известняках при =5, СР=4500 м/с, П=4 и U=1600 м/с получим КВЗ=0,4, что близко к экспериментальному значению, равному 0,5.
При забойке 2-го вида (ХЗ≥1)
. (20)
Отсюда следует, что для бесконечного эквивалентного заряда в случае забойки 2-го и 3-го вида коэффициент воздушной забойки КВЗ должен быть постоянен.
Коэффициент грунтовой забойки 1-го вида определяется по формуле
, (21)
а в случае забойки 2-го вида - по формуле (20).
В известняках (П=4) при =5 время вылета ХЗ=1,3 и коэффициент забойки КГЗ=0,32. При такой же длине воздушной забойки КВЗ=0,4, т.е. в нашем случае, эффективность грунтовой забойки по снижению давления в УВВ оказалась в раз выше, чем воздушной.
При забойке 1-го вида эффективность грунтовой забойки по снижению давления в УВВ выше, чем воздушной. Однако существуют такие значения относительной длины воздушной и грунтовой забоек, по превышению которых эквивалентный заряд уже не уменьшается. Для грунтовой забойки эта предельная длина меньше, чем для воздушной забойки. Однако после достижения этих длин эквивалентные заряды одинаковы при обоих видах забоек. Таким образом, в условиях забойки 2-го и 3-го вида коэффициент забойки постоянен и не зависит от материала забойки. Приведенные в главе 3 диссертации расчеты и графики позволяют сделать вывод, что в случае грунтовой забойки с увеличением плотности материала забойки время вылета ее резко увеличивается, а скорость вылета уменьшается. Скорость вылета забойки обратно пропорциональна ее плотности. С увеличением трения забойки о стенки скважины увеличивается время вылета забойки и уменьшается скорость ее вылета из скважины.
Для оценки влияния длины забойки на интенсивность УВВ был выполнен ряд экспериментов, при которых сравнивалось давление в УВВ при взрыве скважинных зарядов с грунтовой и воздушной забойками разной длины с давлением в УВВ при взрывах скважинных зарядов, до устья заполненных ВВ. По результатам измерений построены графики зависимости изменения относительного давления в УВВ при взрыве скважинных зарядов с забойкой от относительной длины забойки (рис.3).
Проведенные исследования показали, что зависимость для скважинных зарядов длиной lЗ≥20d (где d - диаметр скважины) можно описать одной кривой независимо от длины заряда (кривая 1 для грунтовой забойки и кривая 4 для воздушной забойки на рис.3). Для зарядов меньшей длины эти кривые лежат ниже (на рис.3 для грунтовой забойки - кривые 2 и 3).
Таким образом, на основании проведенных экспериментов установлено, что, начиная с длины скважинного заряда 20d и больше, интенсивность УВВ при взрывах зарядов с забойкой зависит от относительной длины забойки и не зависит от длины заряда. С другой стороны, при длине заряда в скважине lСКВ<20d роль забойки увеличивается при уменьшении длины заряда.
Из сравнения кривых 1 и 4 графика рис.3 видно, что применение грунтовой забойки эффективнее снижает давление в УВВ по сравнению с применением воздушной забойки. При длине забойки 15Е20 диаметров эффективность применения грунтовой забойки для снижения давления в УВВ в 3,5 раза превышает эффективность воздушной забойки. При длине забойки более 25 диаметров эффективность грунтовой забойки по сравнению с воздушной практически не изменяется. Это также хорошо совпадает с данными теории.
Рис.3. Зависимости снижения давления в УВВ при взрывании скважинных зарядов
от относительной длины забойки:
1 - грунтовая забойка, скважины длиной 3,3Е22,5 м (длина заряда в скважине более 20 диаметров); 2 - грунтовая забойка, скважины длиной 2,3 м; 3 - грунтовая забойка, скважины длиной 1,2 м; 4 - воздушная забойка; 5 - относительная эффективность грунтовой забойки по сравнению с воздушной забойкой; А - длина заряда в скважине более 20 диаметров;
Б - скважины длиной 2,3 м; В - скважины длиной 1,2 м; Г - скважины с воздушной забойкой
Таким образом, для снижения давления в УВВ грунтовую забойку целесообразно применять при длине забойки lЗАБ<25d, при большей длине верхней незаряженной части скважины забойку грунтом можно не осуществлять.
Для учета влияния забойки скважины на величину эквивалентного заряда в расчетную формулу (8) следует вести коэффициент КЗ (при полном заполнении скважины зарядов ВВ до устья коэффициент КЗ =1,0). Из выражения (11) величина коэффициента КЗ определяется как , где - давление на фронте УВВ при взрыве скважинного заряда с забойкой определенной длины, Па; - давление на фронте УВВ при взрыве скважинного заряда, полностью (до устья) заполняющего скважину, Па. Значения КЗ приведены в табл. 3 (включены в действующие ЕПБВР).
Измерения показали, что при увеличении длины забойки время действия положительной фазы УВВ τ+ уменьшается.
Таблица 3
Значения коэффициента забойки KЗ
Забойка | Значение КЗ при отношении длины забойки к диаметру заряда lЗАБ/d | |||||||
0 | 2 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 и более | |
Грунтовая | 1 | 0,5 | 0,3 | 0,15 | 0,02 | 0,003 | 0,002 | 0,001 |
Воздушная | 1 | 0,6 | 0,45 | 0,3 | 0,07 | 0,02 | 0,004 | 0,002 |
При инициировании скважинных зарядов с использованием ДШ сама сеть ДШ представляет собой дополнительный наружный заряд. С учетом энергетического сложения УВВ от отдельных скважинных зарядов масса эквивалентного заряда группы скважинных зарядов с забойкой определяется как
при lзар ≥12d; (22)
при lзар<12d, (23)
где QЭ - масса эквивалентного заряда, кг; р - линейная плотность заряда, кг/м; d - диаметр заряда, м; m - число одновременно взрываемых скважинных зарядов; QДШ - суммарная масса заряда ВВ в наружной сети ДШ, кг; lзар - длина заряда, м; KЗ - коэффициент забойки (см.табл. 3).
Многочисленные измерения параметров УВВ при массовых взрывах на открытых горных работах подтвердили правильность полученных закономерностей для расчета эквивалентной массы заряда и давления в УВВ при взрывах скважинных зарядов.
Взрывы шпуровых зарядов длиной менее 20d (мелкошпуровые заряды) достаточно широко используются при разнделке негабарита, проходке траншей, выполнении специальных взрывных работ и т.д. Вознникающие при этих взрывах УВВ достаточнной интенсивности могут представлять опасность для окрунжающих сооружений.
Чтобы получить более общую зависимость для расчета давления при взрывах шпуровых зарядов малой длины, была определена масса шпурового заряда, эквивалентная по интенсивности излучения УВВ взрыву наружного заряда QЭШ. В случае взрыва шпуровых зарядов с забойкой эквивалентная масса заряда, по аналогии со скважинными зарядами, определяется выражением
, (24)
где QШ - фактическая масса шпуровых зарядов, кг; КЗ - коэффициент забойки, значения которого в зависимости от отношения длины забойки к диаметру шпура принимаются по табл. 3.
Данные, полученные при взрывах шпуровых зарядов в разных породах (см. табл.2), показали, что, как и в случае наружных и скважинных зарядов, в более прочных породах интенсивность УВВ будет выше при прочих равных условиях.
На основании результатов исследований параметров УВВ при взрывах скважинных и шпуровых зарядов с различной забойкой сформулировано второе научное положение диссертации.
При взрывах заглубленных зарядов (заряды выброса и сброса, взрывы зарядов под водой) наиболее полную информацию о влиянии различных факторов на параметры УВВ можно получить на основания прямых инструментальных исследований.
Взрывы зарядов выброса и сброса используют для перемещения больших масс пород. При этом применяют как сосредоточенные, так и удлиненные (линейно-протяженные) заряды. Масса взрываемых зарядов составляет от нескольких сотен килограммов до сотен и тысяч тонн. При взрывах мощных зарядов выброса и сброса УВВ распространяются на большие расстояния.
Рис.4. График снижения давления при взрывах на выброс и сброс в зависимости от относительной глубины заложения заряда
Как и в случае взрыва скважинных или шпуровых зарядов, давление на фронте УВВ при взрывах сосредоточенных и удлиненных зарядов выброса и сброса можно определить по формуле (11), где под Q понимается масса эквивалентного заряда QЭВ, т.е. такая масса сосредоточенного наружного занряда, который в данной точке обусловливает то же давление в УВВ, что и рассматриваемый заряд. При этом следует учитывать заглубление заряда. В случае взрыва линейно-протяженного заряда эквивалентная масса заряда зависит также от его геометрии и от координат точки, в которой рассматнривается эффект УВВ.
На рис.4 приведен график зависимости снижения давления в УВВ от при-
веденной глубины заложения сосредоточенного занряда , построенный по данным работы Дж.Рида (график приведен к взрыву заряда на поверхности полупространства). Здесь же нанесены точки, полученные в результате выполненных инструментальных исследований параметров УВВ при взрынвах зарядов выброса и сброса. Как видно, экспериментальнные результаты достаточно хорошо совпадают с графиком.
Эквивалентную массу сосредоточенного заряда выброса или сброса можно определить по формуле
, (25)
где QЭВ - масса эквивалентного заряда, кг; КЗВЫБР - коэффициент заглубления; его значения приведены в табл. 4; Q - масса сосредоточенного заряда, кг.
Таблица 4
Значения коэффициента заглубления КЗВЫБР
| 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,5 | 0,7 | 1,0 | 1,2 | 1,5 | |
КЗВЫБР | 1,0 | 0,4 | 0,15 | 0,07 | 0,01 | 0,003 | 0,001 | 0,0005 | 0,0001 |
Эквивалентность удлиненного заряда можно установить на основе равенства поверхностной плотнности энергии УВВ на данном расстоянии r. В случае взрыва линейно-протяженного заряда длиной l выражения для расчета эквивалентной массы сосредоточенного заряда в точках А, В и С, где давление на фронте УВВ принимает экстремальные значения (рис.5), будут иметь вид
; ; , (26)
где QЭ - масса эквивалентного заряда для рассматриваемой точки, кг; l - длина линейно-протяженного заряда, м.
Если длина линейно-протяженного заряда существенно превышает расстояние до рассматриваемой точки, т.е. l>>r, то
; ; . (27)
Рис.5. Схема к расчету эквивалентной массы линейно-протяженного заряда
Практически условия (27) выполняются при длине заряда l=(2Е5)r. Анализ показывает, что учет влияния протяженности заряда по формулам (26) следует выполнять до расстояний менее десяти длин заряда. На больнших расстояниях заряд можно рассматривать как сосредоточенный.
Влияние глубины заложения удлиненного заряда на параметры УВВ, аналогично взрыву сосредоточенного заряда, учитывается коэффициентом заглубления КЗВЫБР. При определении значений коэффициента заглубления КЗВЫБР по табл.4 под Q следует понимать эквивалентную массу заряда QЭ, рассчитанную по формуле , а под r - величину ЛНС W
. (28)
При подводных взрывах источники образования УВВ аналогичны источникам излучения УВВ при взрывах в грунтах, причем наиболее существенным также является прорыв газов ПВ. Это позволяет использовать результаты соответствующих исследований параметров УВВ от взрывов заглубленных зарядов и при прогнозировании параметров УВВ подводных взрывов.
Как и в случае наземных взрывов, расчет давления в УВВ на больших расстояниях при подводных взрывах может быть выполнен по формуле (11), где под Q следует понимать эквивалентную массу накладнного подводного заряда QПВ, которая учитывает влияние толщины слоя воды над зарядом на снижение интенсивности УВВ. Зависимость снижения давления в УВВ при взрыве накладных подводных зарядов от относительной толщины слоя воды над зарядом показана на рис.6, где - давление на фронте УВВ при взрыве подводного накладного заряда, Па; - расчетное давление на фронте УВВ при взрыве наружного заряда такой же массы, размещенного на дневной поверхности, Па; Н - высота слоя воды над зарядом, м.
На этом же графике нанесены точки, полученные в результате инструментальных измерений параметров УВВ при подводных взрынвах накладных зарядов.
Рис. 6. График снижения давления при взрывах подводных накладных зарядов в зависимости от относительной толщины слоя воды над зарядом
При взрывах подводных зарядов под Q в формуле (11) следует понимать массу эквивалентного заряда QЭ
, (29)
где QПВ - масса эквивалентного заряда подводного взрыва, кг; при взрывании подводного наружного заряда, размещенного на дне водоема, равна его фактической массе; при взрывании подводных скважинных зарядов определяется по формулам (22) и (23), подводных шпуровых зарядов - по формуле (24), подводных зарядов выброса - по формуле (25); QДШ - суммарная масса заряда ВВ в сети ДШ, размещенной на дневной поверхности, кг.
Для учета влияния слоя воды над зарядом на уровень сниженния давления в УВВ в формулу (29) для определения эквивалентной массы заряда вводится коэффициент . Его значения приведены в табл. 5.
Таблица 5
Значения коэффициента заглубления подводного заряда КЗП
0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 2,0 | |
КЗП | 1,0 | 0,6 | 0,2 | 0,08 | 0,02 | 0,01 | 0,006 | 0,003 | 0,0015 | 0,001 |
Приведенные результаты исследований параметров УВВ при взрывах сосредоточенных и удлиненных зарядов выброса и сброса и при взрывах подводных зарядов различного назначения позволили сформулировать третье научное положение диссертации.
Проведенные исследования дают возможность предложить целый ряд мероприятий, позволяющих уменьшить интенсивность УВВ при взрывах и снизить их отрицательное воздействие на инфраструктуру. Результаты этих исследований представлены в главе 4 диссертации.
Для уменьшения интенсивности УВВ возможно применение засыпки наружного заряда. Применение засыпки уменьшает долю энергии ВВ, идущую на образование ударной воздушной волны. Это происходит за счет увеличения времени действия продуктов взрыва на массив и, как следствие, снижения их первоначального давления, а также за счет расхода энергии ВВ на метание засыпки. Для выяснения влияния высоты слоя засыпки на степень снижения давления в УВВ были проведены специальные эксперименты, при которых сравнивалось давление ΔРЗН на фронте УВВ при взрыве наружного заряда с засыпкой с давлением ΔРО на фронте УВВ при взрыве такого же заряда без засыпки.
Для расчета величины избыточного давления на фронте УВВ при взрыве наружных зарядов с засыпкой можно также использовать формулу (11). Влияние засыпки наружного заряда на величину избыточного давления учитывается коэффициентом KН. В этом случае масса эквивалентного заряда
. (30)
Значения коэффициента в зависимости от отношения высоты слоя засыпки hЗН к высоте заряда hО приведены в табл. 6.
Таблица 6
Значения коэффициента KН
hЗН /hО | 0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 5,0 |
KН | 1,0 | 0,75 | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,07 | 0,03 | 0,02 |
Весьма эффективным средством расширения вознможностей применения
взрыва является короткозамедленное взрывание (КЗВ). Однако в случае УВВ следует учитывать особеннонсти расположения отдельных взрываемых зарядов друг относительно друга и относительно охраняемого объекта, а также возможность сложения УВВ от взрыва отдельных зарядов или групп зарядов, взрываемых в разных ступенях замедления.
При КЗВ зарядов образуется ряд следуюнщих друг за другом по воздуху ударных импульсов. Характер резульнтирующего импульса определяется интервалом замедления и расстоянием между отдельными зарядами. При достаточно большом интервале замедления отдельные импульсы УВВ разденляются, и давление в УВВ определяется взрывом заряда массой, равной массе заряда в группе. Для полного разделения импульсов УВВ необходимо, чтобы интервал замедления между группами был не менее продолжительности времени фазы сжатия УВВ. В случае большого расстояния может оказаться, что интервал занмедления не обеспечит полного разделения УВВ от взрывов отдельных зарядов. Это связано с тем, что длительность фазы сжатия слабой УВВ будет увеличиваться с расстоянием. При малых интервалах замедления отдельные импульсы УВВ принходят в данную точку с некоторым интервалом друг за другом, причем в результате их сложения возможно увеличение амплитуды результирующего импульса. В этом случае усиление суммарной волны возможно на временном интервале, длительность которого равна продолжительнонсти положительной фазы сжатия первой волны. Усиление суммарной волны происходит до тех пор, пока догоняюнщие волны (вторая, третья и т. д.) движутся в пределах фазы сжатия первой волны и влияние ее фазы разряжения еще не сказывается.
При КЗВ прямолинейной серии зарядов (например, взрывание вынтянутого блока по поперечной схеме КЗВ) вследствие неправильно выбранной схемы коммутации взрывной сети возможно усиление УВВ в направлении распространения детонации по блоку за счет синхронного сложения УВВ от отдельных групп зарядов. Степень увенличения давления УВВ зависит от направления детонации по блоку, числа групп зарядов и расстояний между зарядами и между пунктом наблюдения и ближайшим зарядом. Сложение и усиление УВВ в направлении развития детонации по блоку происходит в том случае, когда расстояние между соседними групнпами зарядов равно , где С - скорость распространения УВВ по блоку, м/с (примерно равна 400 м/с); tЗ - интервал замедления, с. Например, при взрывании с интервалом замедления 20 мс сложение УВВ от отдельных групп зарядов бундет наблюдаться при расстоянии между заряданми 8 м, а с интервалом замедления - 35 мс - при расстоянии 14 м.
Экспериментальная проверка вышепринведенных расчетов подтвердила факт синхронного сложенния отдельных импульсов УВВ при КЗВ. При инициировании зарядов со стороны пункта регистрации импульсы УВВ от взрывов отдельных зарядов разделились (рис.7,б), а при их инициировании с противоположной стороны был заренгистрирован один суммарный импульс (рис.7,в).
Сложение УВВ от отдельных групп зарядов будет исключено, если интервал замедления tз между их взрывами будет удовлетворять соотношениям:
- при иницинировании зарядов со стороны охраняемого объекта
; (31)
- при инициировании зарядов в сторону охраняенмого объекта
, (32)
где τ+ - длительность фазы сжатия УВВ в районе охраняемого объекта, с; а - расстояние между зарядами, м.
Рис.7. Осциллограммы взрывов наружных зарядов:
а) - мгновенный взрыв одиночного заряда массой 8 кг, r1=200,0 м; б) - КЗВ, четыре заряда массой по 2,0 кг каждый, расстояние между зарядами 14 м, r1=205 м, начало детонации со стороны пункта регистрации; в) - КЗВ, четыре заряда массой по 2,0 кг каждый, расстояние между зарядами 14 м, r1=205 м, развитие детонации в сторону пункта регистрации
При взрыве скважинных или шпуровых зарядов с оптимальной длиной забойки наиболее существенным источником УВВ является наружная сеть ДШ. Для снижения воздействия УВВ на людей и застекление при взрыве сеть ДШ присыпают песком или буровым отнсевом. Проведенные инструментальные исследования показали, что при засыпке сети ДШ слоем песка толщиной 5Е8 см давление в УВВ снижается до трех раз. При толщине слоя засыпки 10 см и более массу заряда в сети ДШ в формулах (22)Е(24) можно не учитывать. Снизить интенсивность УВВ также позволяет изменение способа инициирования скважинных и шпуровых зарядов. При использовании неэлектрических систем инициирования зарядов массу навески ВВ в их ударно-волновых трубках (у СИНВ-П - 0,93 г/м, у Эдилин - 0,015Е0,035 г/м) также можно не учитывать.
Применение укрытий мест взрыва при дроблении фундаментов, рыхлении скальных грунтов и при обрушении различных сооружений снижает интенсивнность УВВ. Проведенные инструментальные измерения параметров УВВ при взрывании скважинных и шпуровых зарядов показали, что применение укрытий типа домиков, сплошных щитовых газонепроницаемых металлических или деревянных укрытий и укрытий других конструкций, обеспечивающих безопасность по разлету кусков взорванной породы, позволяет снизить давление в УВВ в 2Е3 раза. При использовании в качестве укрытия передвижного локализатора санного типа давление в УВВ снижается в 1,5Е2 раза. Длина забойки при этом должна составлять не менее 10 диаметров заряда. Применение щитовых укрытий зоны подбоя дымовых труб, различных зданий и сооружений деревянными щитами снижает давление в УВВ не менее чем в 2 раза. Использование газопроницаемых укрытий (металлической сетки, решеток и др.) не приводит к существенному снижению интенсивности УВВ.
При проведении взрывов по обрушению сооружений в случае бурения шпуров изнутри здания его стены являются препятствием для распространения УВВ. Как показывают выполненные инструментальные измерения параметров УВВ, при закрытии оконных и дверных проемов в здании щитами давление в УВВ при взрыве зарядов подбоя, даже без использования защитных укрытий мест взрыва, снижается в 1,5Е2 раза по сравнению со взрывом шпуровых зарядов, пробуренных с наружной стороны стен здания.
Полученные результаты прошли многолетнюю апробацию при производстве взрывных работ на карьерах и на строительных площадках. Использование этих результатов позволяет достаточно надежно и эффективно регулировать параметры УВВ при взрывах и их воздействие на охраняемые объекты. Это позволило сформулировать четвертое научное положение диссертации.
Расчет безопасных расстояний по действию УВВ
при взрывах на земной поверхности
Согласно существующим в настоящее время представлениям повреждение конструктивных элементов сооружений под воздействием УВВ происходит при достижении на ее фронте критического уровня давления или удельного импульса в фазе сжатия. При определении критерия опасности определяющий параметр ударной волны и характер нагрузки зависят от соотношения времени действия положительной фазы УВВ τ+ и собственного периода колебаний конструкции То. Согласно М.А.Садовскому, при τ+≤0,25То реакция на нагрузку пропорциональна удельному импульсу фазы сжатия S+. В этом случае критерием опасности является удельный импульс. При τ+≥10То механическое действие ударной воздушной волны определяется величиной максимального избыточного давления ΔР на фронте УВВ, а повреждение сооружений или их конструктивных элементов происходит при превышении критического значения избыточного давления.
Наиболее слабым конструктивным элементом сооружений является застекление. При обеспечении сохранности застекления, как правило, гарантируется сохранность и всех других конструкций зданий и сооружений, если речь идет о действии ударной воздушной волны взрыва.
Период собственных колебаний стекла, применяемого для застекления, составляет То=20Е40 мс. Тогда для застекления импульсный характер нагрузки будет наблюдаться при τ+≤10 мс (т.е. при взрывании на расстоянии менее 200 м), а статическое действие при τ+≥200 мс (на расстоянии более 1000 м).
Взрывные работы на строительстве и реконструкции предприятий ведутся, как правило, вблизи охраняемых объектов. Время действия положительной фазы УВВ мало, составляет обычно несколько миллисекунд. Следовательно, повреждение застекления охраняемых объектов в близкой зоне происходит при превышении критического значения удельного импульса фазы сжатия в УВВ.
Для определения величины критического импульса фазы сжатия УВВ для застекления были проведены специальные эксперименты, при которых осуществлялись взрывы наружных зарядов массой 1Е15 кг на расстоянии 35Е150 м от сооружения с застеклением. Достигалось повреждение застекления с одновременной регистрацией параметров УВВ. По результатам экспериментов, анализа имеющихся литературных данных и результатов расчетов получены величины избыточного давления и удельного импульса фазы сжатия УВВ, при которых повреждения застекления не происходит (см. главу 5 диссертации). Для хорошо закрепнленных стекол, находящихся в исправном состоянии, имеем ΔР=1000 Па и S+=4,7 Пас.
При определении предельно допустимых расчетных величин давнления и импульса, по аналогии с сейсмическим действием взрывов (критические и допустимые величины скорости колебаний грунта в основании охраняемых объектов), принят запас, равный двум. Таким образом, в близкой зоне взрыва (r≤200 м) критерием опасности является удельнный импульс давления, предельно допустимое значение которого не должно превосходить S+ДОП=2,5 Пас. Эта величина использована при расчете радиуса опасной зоны по действию УВВ в условинях, соответствующих близкой зоне взрыва.
В дальней зоне взрыва (r≥1000 м) критерием опасности явнляется величина избыточного давления на фронте УВВ ΔР. В качестнве расчетной предельно допустимой величины принято ΔРДОП =500 Па. Критерий избыточного давления применим не только в дальней, но и в средней зоне взрыва (r=200Е1000 м). В этом случае расчетное давление должно, в принципе, увеличиваться. Поэтому применение критерия избыточного давления ΔРДОП=500 Па для средней зоны создает дополнительную степень безопасности.
Предельно допустимые значения избыточного давления и удельного импульса устанавливаются исходя из принятой степени безопасности.
В ЕПБВР при расчете расстояний по действию УВВ взрыва предусмотрено пять степеней безопасности в зависимости от вида возможных повреждений. Применительно к действию УВВ на застекление при производстве работ на строительстве и реконструкции речь может идти о первых трех степенях безопасности, причем 2-я (случайные повреждения застекления) и 3-я (полное разрушение застекления) степени безопасности допустимы лишь в отдельных исключительных случаях. При производстве регулярных взрывных работ на горнодобывающих предприятиях допускается лишь 1-я степень безопасности - отсутствие повреждений. Каждой степени безопасности соответствуют предельно допустимые величины нагрузок на застекление, при превышении которых возможно повреждение застекления, соответствующее более низкой степени безопасности. Они приведены в табл. 7.
Таблица 7
Предельно допустимые значения избыточного давления
и удельного импульса для застекления
Степень безопасности | Возможные повреждения застекления | Избыточное давление ΔР, Па | Удельный импульс фазы сжатия S+, Пас |
1 | Отсутствие повреждений | 500 | 2,5 |
2 | Случайные повреждения | 1500 | 4,5 |
3 | Полное разрушение | 5000 | 20,0 |
При принятых для 1-й степени безопасности предельно допустимых значениях избыточного давления ΔР=500 Па и удельного импульса S+=2,5 Пас следует, что критерий избыточного давления применим в средней и дальней зонах (расстояния 200 м и более от места взрыва) при расчете радиуса опасной зоны взрыва зарядов массой QЭ≥2,0 кг. Критерий удельного импульса можно использовать при расчете радиуса опасной зоны в близкой зоне (расстояние менее 200 м от места взрыва) взрыва малых масс зарядов (QЭ<2,0 кг).
Формулы для расчета радиуса опасной зоны должны учитывать зависимость коэффициента метеоусловий от сезона проведения взрывных работ и расстояния (см. табл.1). С учетом этого из формул (11) и (13) при ΔРДОП=500 Па и S+ДОП=2,5 Пахс для летнего сезона получены выражения для определения радиуса опасной зоны по действию УВВ на застекление (1-я степень безопасности - отсутствие повреждений; формулы включены в подразделы VIII.5.1.9 - VIII.5.1.15 раздела VIII Порядок определения безопасных расстояний при взрывных работах и хранении взрывчатых материалов действующих ЕПБВР):
при QЭ ≥1000 кг; (33)
при 2 кг≤QЭ ≤1000 кг; (34)
при QЭ <2 кг, (35)
где rВ - радиус опасной зоны, м; КТ - коэффициент, учитывающий физико-технические свойства взрываемых грунтов (см. табл.2); QЭ - масса эквивалентного заряда, кг.
Зимой (месяцы с отрицательной среднемесячной температурой воздуха), когда усиливается влияние неблагоприятных метеоусловий, безопасные расстояния, рассчитанные по формулам (33) и (34), должны быть увеличены в 1,5 раза (см. выше формулу (11) и табл.1).
В зависимости от метода производства взрывных работ масса эквивалентного заряда QЭ рассчитывается: при взрывах наружных зарядов с засыпкой - по формуле (30), при взрывах шпуровых зарядов - по формуле (24), при взрывах скважинных зарядов - по формулам (22) и (23), при взрывах зарядов выброса и сброса - по формуле (25), при подводных взрывах - по формуле (29).
При короткозамедленном взрывании под QЭ следует понимать массу эквивалентного заряда одной группы. Учитывая, что взрывные работы в строительстве и при реконструкции производят главным образом в близкой зоне, где продолжительность положительной фазы УВВ не превышает 10Е15 мс, можно считать, что при замедлении 25 мс и более УВВ от отдельных групп зарядов полностью разделяются. В этом случае взрыв одной группы зарядов по действию УВВ можно рассматривать как мгновенный. При интервале замедления между группами 10..15 мс радиус опасной зоны должен быть увеличен в 1,3 раза по сравнению с рассчитанным по формуле (35).
В средней и дальней зонах взрыва, при QЭ>2 кг, когда расчет радиуса опасной зоны ведется по формулам (33) и (34), при интервале замедления между группами 10..15 мс радиус опасной зоны должен быть увеличен в 1,5 раза, а при интервале замедления 20Е25 мс - в 1,3 раза. При интервале замедления 50 мс радиус опасной зоны можно не увеличивать.
Радиусы опасных зон для 2-й (случайные повреждения застекления) и 3-й (полное разрушение застекления) степени безопасности могут быть получены из формул (11) и (13) при подстановке в них соответствующих значений ΔРДОП и S+ДОП (см. табл.7). При допустимости 2-й степени безопасности радиус опасной зоны, рассчитанный по формулам (33)Е(35), может быть уменьшен в три раза, а 3-й степени безопасности - уменьшен в пять раз.
Величины критических нагрузок зависят от качества, толщины и размеров стекол. Формулы (33)Е(35) применимы при расчете безопасных расстояний относительно застекления зданий и сооружений, выполненных из обычных стекол (толщина стекла 2Е5 мм, максимальные размеры - до 2 м). Если охраняемые объекты имеют застекление больших размеров (например витрины), полученные безопасные расстояния должны быть увеличены в полтора раза. При взрывании вблизи от объектов, застекление которых выполнено из стеклоблоков, безопасные расстояния могут быть уменьшены в два раза.
Если охраняемыми объектами являются больницы, дома отдыха, санатории, детские учреждения, объекты с большой площадью застекления и значительным скоплением людей, то безопасные расстояния, рассчитанные по формулам (33)Е(35), должны быть увеличены в два раза.
Слабые УВВ, не представляя опасности для застекления, могут вызвать интенсивные колебания самих зданий, причем скорость этих колебаний может превышать скорость их колебаний, вызванную сейсмическим воздействием взрывов. При расположении в районе производства регулярных взрывных работ (типа карьерных) зданий и сооружений высотой более 3 этажей необходимо проводить дополнительную оценку воздействия УВВ на эти сооружения. Расчет этих воздействий следует проводить до расстояний, где величина избыточного давления превышает 200 Па. При таких давлениях, по данным А.И.Гончарова, В.И.Куликова и др., скорость колебаний грунта может достигать 1,0 см/с.
Размеры зоны, безопасной по действию УВВ на человека, устанавливаются в соответствии с требованиями ЕПБВР
. (36)
Массу эквивалентного заряда QЭ в этом случае определяют в соответствии с приведенными выше указаниями.
Как указано в ЕПБВР, формула (36) используется, только если по условиям работ необходимо максимальное приближение персонала, производящего взрывание, к месту взрыва. В остальных случаях расстояния, полученные по формуле (36), следует увеличить в 2Е3 раза. С учетом указанных замечаний формула (36) может быть использована при определении безопасных расстояний до мест расстановки постов оцепления опасной зоны (если радиус опасной зоны по действию УВВ превышает расстояние, безопасное по разлету кусков), а также до мест укрытия взрывников при производстве взрывов.
Полученные закономерности для определения массы эквивалентного заряда могут быть использованы и при прогнозировании воздействия взрывного шума на людей. Проведенными исследованиями действия на человека и животных звуковых ударов, вызванных пролетающими сверхзвуковыми самолетами (по основным параметрам является аналогом УВВ взрыва), установлено, что звуковой удар с пиковым давлением до 100 Па не оказывает заметного влиянния на поведение животных и является допустимым по раздражающему дейстнвию на человека.
Подставив в формулу (11) допустимую величину давления ΔP=90 Па (как при пролете над населенными пунктами сверхзвуковых самолетов в крейсерском режиме согласно ГОСТ 23552-79 Самолеты гражданской авиации) и значения коэффициента KМ (принимаются с обеспеченностью 95%), получим формулы для расчета радиуса действия взрывного шума для случая регулярного взрывания пород I и II групп (см. табл. 2) на горных предприятиях, расположенных рядом с населенными пунктами
при QЭ ≥11 кг; (37)
при 1,0 кг≤QЭ ≤11 кг; (38)
при QЭ <1,0 кг. (39)
Массу эквивалентного заряда в формулах (38)Е(40) определяют с учетом приведенных выше указаний.
Для пород III группы радиус зоны действия шума следует увенличить в 1,5 раза по сравнению с рассчитанным по формулам (37)...(39). Зимой расчетный радиус действия взрывного шума, рассчитанный по этим формулам, увеличивается еще в 1,5 раза. Следует также учитывать интервал замедления при короткозамедленном взрывании в соответствии с приведенными выше указаниями.
При отсутствии около места проведения взрывов жилых, детских и медицинских учреждений (промзона), а также животных, находящихся в заповедных местах и на фермах, радиус зоны шума может быть уменьшен в 2Е3 раза.
Таким образом, проведенные исследования воздействия УВВ взрывов на застекление и окружающую среду и разработанная методика расчета безопасных расстояний по действию УВВ на основе определения массы эквивалентного заряда с учетом основных факторов, влияющих на интенсивность УВВ (массы и конструкции заряда, параметров БВР, свойств взрываемых пород и материалов, метеоусловий в районе производства взрывных работ, допустимого уровня воздействия УВВ на охраняемые объекты) являются подтверждением пятого научного положения диссертации.
Заключение
Диссертация является квалификационной научной работой, в которой на основании установленных закономерностей изменения параметров УВВ с учетом влияния физико-технических свойств взрываемых пород и условий взрывания зарядов научно обоснованы актуальные для горнодобывающей промышленности технические и технологические решения по обеспечению промышленной безопасности ведения взрывных работ по действию УВВ на земной поверхности, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие этой отрасли.
Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации, полученные лично автором в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:
1. Установлены закономерности для определения массы эквивалентного заряда при взрывах наружных зарядов, а также скважинных зарядов, заполненных ВВ до устья, и скважинных зарядов с грунтовой и воздушной забойками. Установлено, что при определении степени воздействия расширяющихся ПВ, идущих на образование УВВ, следует учитывать длину заряда в скважине и различать три вида забойки в зависимости от ее длины. Установленные закономерности позволяют сделать вывод, что эквивалентный заряд зависит от физико-технических свойств взрываемых пород и материалов.
2. Получены закономерности для расчета основных параметров слабых УВВ при взрывах наружных зарядов на дневной поверхности (величины избыточного давления на фронте УВВ ΔР, удельного импульса фазы сжатия S+, времени действия положительной фазы сжатия τ+, приведенной плотности потока энергии УВВ и полной энергии в головной части фазы сжатия УВВ ЕУВВ), учитывающие основные параметры зарядов и свойства взрываемых пород. Установлено влияние физико-технических свойств взрываемых пород и материалов на интенсивность излучения УВВ, получены численные значения коэффициента КТ для учета этого влияния. Разработана классификация горных пород по влиянию их физико-технических свойств на интенсивность излучения УВВ, в которой взрываемые породы разделены на три группы.
3. Установлены численные значения влияния длины заряда и длины забойки в выработке при взрывании скважинных и шпуровых зарядов на параметры УВВ, получены зависимости для расчета массы эквивалентного заряда.
При длине заряда в скважине <20d масса эквивалентного заряда определяется массой заряда в скважине и длиной забойки. При длине заряда ≥20d масса эквивалентного ему по действию УВВ наружного заряда QЭ определяется линейной плотностью заряжания р, диаметром заряда d и длиной забойки lЗ и не зависит от длины заряда. В случае взрыва скважинного заряда длиной ≥20d, полностью заполняющего скважину, масса эквивалентного заряда составляет QЭ=12рd. При взрывах шпуровых зарядов длиной до 20d эквивалентная масса заряда определяется массой заряда в шпуре и относительной длиной забойки.
При определении массы эквивалентного заряда в случае взрывов скважинных и шпуровых зарядов следует учитывать относительную длину забойки и материал, из которого она выполнена. Установлено, что забойка 1-го вида имеет место при ее длине до 10 диаметров заряда, забойка 2-го вида - при ее длине 10Е25 диаметров заряда, забойка 3-го вида - при ее длине более 25 диаметров заряда. Использование грунтовой забойки для снижения интенсивности УВВ по сравнению с воздушной забойкой наиболее эффективно, когда длина забойки составляет 10Е25 диаметров заряда. Установлено также, что при длине забойки более 20Е25 диаметров коэффициент забойки должен быть постоянным и эффективность использования грунтовой забойки по сравнению с воздушной практически не изменяется.
4. Установлено, что в случае взрывов зарядов выброса и сброса при определении массы эквивалентного заряда QЭВ следует учитывать приведенную глубину заложения заряда. Для взрывов удлиненных зарядов при определении массы эквивалентного заряда QЭВ следует также учитывать длину заряда l, линейную плотность заряда и расстояние r от заряда до рассматриваемой точки. При l>>r выражения для расчета эквивалентной массы сосредоточенного заряда в точках, где давление на фронте УВВ принимает экстремальные значения, будут иметь вид ; ; . Влияние протяженности заряда следует учитывать до расстояний менее 10 длин заряда. На больших расстояниях заряд следует рассматривать как сосредоточенный.
5. Установлено, что в случае взрыва подводных накладных зарядов интенсивность УВВ на поверхности земли зависит от толщины слоя воды над зарядом и массы взрываемого накладного заряда. Влияние слоя воды Н на уровень сниженния давления в УВВ учитывает коэффициент КЗП, значение которого при взрывах накладных подводных зарядов зависит от приведенной глубины расположения заряда. Установленная закономерность для учета влияния толщины слоя воды над зарядом на снижение давления УВВ после определения соответствующей массы эквивалентного заряда может быть использована и при взрывании подводных скважинных и шпуровых зарядов и подводных зарядов выброса.
6. Экспериментально определена эффективность использования технических и технологических мероприятий по снижению отрицательного воздействия УВВ в зависимости от изменения различных параметров взрывания: толщины засыпки наружного заряда, длины и материала забойки скважин, глубины заложения зарядов выброса и сброса, толщины слоя воды при подводных взрывах, параметров применяемых укрытий мест взрывов, интервала замедления и направленности развития детонации по блоку при короткозамедленном взрывании. Установлено, что сложение УВВ от отдельных групп зарядов при короткозамедленном взрывании будет исключено, если интервал замедления tЗ между их взрывами будет удовлетворять соотношениям: при иницинировании зарядов со стороны охраняемого объекта и при инициировании зарядов в сторону охраняенмого объекта. Применение укрытий типа домиков, сплошных щитовых металлических или деревянных укрытий и газонепроницаемых укрытий других конструкций позволяет снизить давление в УВВ в 2Е3 раза. Использование газопроницаемых укрытий не приводит к существенному снижению интенсивности УВВ. Полученные данные позволяют управлять параметрами УВВ в очаге и регулировать интенсивность УВВ в зоне расположения охраняемых объектов.
7. Получены значения коэффициентов возможного увеличения интенсивности УВВ при возникновении неблагоприятных метеоусловий КМ, величина которых учитывает вероятность возникновения этих метеоусловий, а также вероятность нахождения охраняемых объектов с застеклением в зоне максимальной фокусировки УВВ.
8. Определены критические и предельно допустимые величины избыточного давления и удельного импульса фазы сжатия в зависимости от степени безопасности и вида возможного повреждения застекления (1-я степень безопасности Единых правил безопасности при взрывных работах - отсутствие повреждения, 2-я степень - случайное повреждение, 3-я степень - полное повреждение). Разработана методика расчета параметров УВВ и радиусов опасных зон по действию УВВ на земной поверхности при взрывании зарядов различного назначения.
9. Разработано Руководство по определению радиуса опасной зоны действия ударных воздушных волн при взрывах на земной поверхности, в котором даются указания по расчету безопасных расстояний по действию УВВ при взрывании зарядов различного назначения, учитывающие свойства взрываемых пород и материалов, параметры расположения зарядов, степень возможного воздействия УВВ взрывов на застекление и др. Рекомендации этого Руководства прошли многолетнюю апробацию с положительными результатами при проектировании и производстве различных видов взрывных работ в самых разнообразных условиях.
10. Результаты исследований использованы при составлении и обосновании действующих нормативных документов, направленных на обеспечение промышленной безопасности производства взрывных работ по действию УВВ на горнодобывающих предприятиях, а также при разработке проектов производства взрывных работ в различных горнотехнических условиях. Их внедрение в производство позволяет повысить надежность обеспечения промышленной безопасности при взрывах наружных и заглубленных (скважинных, шпуровых, выброса и сброса, подводных) зарядов по действию УВВ на земной поверхности.
Основные результаты исследований отражены в следующих публикациях автора:
1. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И, Ганопольский М.И. Влияние забойки скважин на интенсивность воздушной ударной волны. - Горный журнал, 1973. - №2. - С.42-44.
2. Смолий Н.И., Цейтлин Я.И., Ганопольский М.И. Радиус разрушения остекления зданий при взрывах малых наружных зарядов. - Горный журнал, 1975. - №1. - С.56-59.
3. Смолий Н.И., Ганопольский М.И., Цейтлин Я.И., Гринев И.А. О давлении в ударных воздушных волнах при сварке металлов взрывом. - Безопасность труда в промышленности, 1977. - №4. - С.56-57.
4. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Влияние забойки на снижение интенсивности ударных воздушных волн при взрывах наружных зарядов. - Горный журнал, 1978. - №7. - С.52-54.
5. Ганопольский М.И., Смолий Н.И., Цейтлин Я.И. Пьезоэлектрический прибор для измерения давления в слабых ударных воздушных волнах взрывов. - ФТПРПИ, 1979. - №1. - С.133-136.
6. Ганопольский М.И., Цейтлин Я.И. К расчету давления во фронте ударной воздушной волны при массовых взрывах скважинных зарядов. - Горный журнал, 1980. - №1. - С.44-46.
7. Цейтлин Я.И., Ганопольский М.И., Громов В.А. Влияние метеоусловий на интенсивность ударно-воздушных волн взрывов. - ФТПРПИ, 1980. - №З. - С.51-56.
8. Ганопольский М.И. Сравнительная оценка воздействия сейсмических и ударных воздушных волн при определении радиусов опасных зон. - Горный журнал, 1981. - №12. - С.33-35.
9. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Ударные воздушные волны при взрывах шпуровых зарядов. - Монтаж. и спец. строит. работы. Серия V. Специальные строит. работы. Экспресс-информ., 1983. - Вып.1. - С.32-37.
10. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Расчет радиуса опасной зоны при взрывах скважинных зарядов. - Безопасность труда в промышленности, 1984. - №4. - С.44.
11. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Ударные воздушные волны при короткозамедленном взрывании негабарита. - Безопасность труда в промышленности, 1984. - №9. - С.48-49.
12. Смолий Н.И., Ганопольский М.И. Расчет безопасных параметров ударных воздушных волн при подводных взрывах. - Гидротехническое строительство, 1985. - №1. - С.31-32.
13. Смолий Н.И., Алешин Л.П., Ганопольский М.И., Дроговейко К.И. Ударные воздушные волны при взрывах детонирующего шнура. - ФТПРПИ, 1985. - №2. - С.48-52.
14. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Ударные воздушные волны при короткозамедленном взрывании на открытых горных работах. - ФТПРПИ, 1985. - №6. - С.46-51.
15. Ганопольский М.И., Перник Л.М. Инструментальные наблюдения за взрывом на сброс при строительстве плотины Квайсинского рудоуправления. Монтаж. и спец. строит. работы. Сер. Специальные строит. работы. Экспресс-информ., 1986. - Вып. 7. - С.10-15.
16. Ганопольский М.И., Смолий Н.И., Цейтлин Я.И. Ударные воздушные волны при взрывах зарядов выброса на строительстве мелиоративных каналов. - Монтаж. и спец. строит. работы. Сер. Спец. строит. работы. Экспресс-информ., 1987. - Вып. 6. - С.14-18.
17. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Ударные воздушные волны при взрывном дроблении фундаментов. - Монтаж. и спец. строит. работы. Сер. Специальные строит. работы. Экспресс-информ., 1988. - Вып. 1. - С.21-23.
18. Дроговейко И.З., Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Руководство по проектированию и производству взрывных работ при реконструкции промышленных предприятий и гражданских сооружений. РТМ 36.9-88. - М.: ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1988. - 37 с.
19. Ганопольский М.И., Бахтин А.В., Селявин А.И. Безопасность работ при взрывании металлоконструкций. - Безопасность труда в промышленности, 1993. - №6. - С.8-10.
20. Ганопольский М.И. Безопасность взрывных работ при осушении скважин прострелкой. - Безопасность труда в промышленности, 1993. - №6. - С.48-49.
21. Ганопольский М.И., Барон В.Л., Селявин А.И., Кантор В.Х. Взрывные работы при разборке производственного здания табачной фабрики Дукат. - Монтажные и специальные работы в строительстве, 1997. - №3. - С.14-17.
22. Барон В.Л., Ганопольский М.И. Прогнозирование вероятности риска аварий при хранении взрывчатых материалов. - Результаты научных исследований и практического опыта в области взрывного дела. Сб. Взрывное дело №93/50. - М.:МВК по взрывному делу при Академии горных наук. - 2001. - С.107-113.
23. Ганопольский М.И., Анучин Н.Ф. Буровзрывные работы при разработке котлована очистных сооружений. - Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - №3. - С.13-16.
24. Барон В.Л., Ганопольский М.И. Прогноз экологического воздействия взрывных работ на окружающую среду. - Проблемы снижения природных опасностей и рисков: Материалы Международной научно-практической конференции ГЕОРИСК-2009. Т.2 - М.:РУДН. - 2009. - С.149-155.
25. Ганопольский М.И. Результаты экспериментальных исследований ударных воздушных волн при взрывах на земной поверхности. - Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня, 2011. - №5. - 38 с.
26. Ганопольский М.И., Смолий Н.И. Исследование кинематических параметров движения забойки, ПВ и грунта при взрывах скважинных зарядов. - Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011. - №6. - С.235. Деп. №827/06-11 от 15.03.2011, 37 с.
Подписано в печать 2011 г. Формат 60/16
Объем 2 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №
Отдел печати Московского государственного горного университета
г.Москва, Ленинский проспект, 6
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям