Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

ЛИТОВЧЕНКО Сергій Олександрович

УДК 622.063.23:622.063.4

ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМУ ДІЇ ТА ОБҐРУНТУВАННЯ

РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗАРЯДІВ ВИБУХОВОЇ РЕЧОВИНИ

З ГАЗОУТВОРЮЮЧИМИ КОМПОНЕНТАМИ

Спеціальність: 05.15.11. - Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ -2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технічної механіки у Кременчуцькому держав-ному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України ( м. Кре-менчук).

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор ВОРОБЙОВ Віктор Васильович, декан машинобудівного факультету Кременчуцького державного політех-нічного університету Міністерства освіти і науки України .

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор ПЕТРЕНКО Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ і фундаментів Дніпропетровського державного університету залізничного транс-порту України, Міністерства транспорту України;

кандидат технічних наук, доцент КУРІННИЙ Володимир Павлович, доцент кафедри фізики Національного гірничого університету України Міністерства освіти і науки України (м.аДніпропетровськ).

Провідна установа: | Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ механіки вибуху ( м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "_18_"__квітня__2003 р. о _14-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. К.Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпро-петровськ-27, пр. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий "_12_"__березня__ 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доц. Тимощук В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток гірничодобувної промисловості, що забезпечує мінеральними ресурсами такі важливі галузі виробництва як металургійну, будівельну, сільськогосподарську та ін., неможливо без удосконалювання методів вибухового руйнування середовища, що є основним способом первинного відділення корисної копалини від гірського масиву. При цьому важливим є одержання висадженої маси зі заданим гранулометричним складом, оскільки характер розподілу уламків по фракціях визначає ефективність подальшої механічної переробки, забезпечує зниження вартості кінцевого продукту. В умовах виробництва щебеню, фракції розміром, що менші 5 мм, вважаються переподрібненими і відносятся до більш низької сировинної групи. Їх вихід за умов використання існуючих технологій буровибухових робіт складає 6-10 % за рахунок первинного висадження скельного масиву та 0,6-1,0 % утворюється при вторинному висадженні негабаритних кусків. З погляду виробництва щебеню це є прямою втратою мінеральної сировини. Крім того, дроблення середовища до пилоподібних часток сполучено зі значними витратами енергії вибуху в ближній зоні, що приводить до її нераціонального використання. Отже, обгрунтування раціональних параметрів існуючих свердловинних зарядів і розробка нових конструкцій, що забезпечують підвищення виходу кондиційних фракцій, є актуальною науково-технічною задачею.

Одним з можливих напрямків, що дозволяють здійснити її рішення, є застосування зарядів на основі комбінування штатних вибухових речовин (ВР) і газогенеруючих недетонуючих енергоактивых речовин (ГНЕР), таких як конверсійні порохи і тверді ракетні палива (ТРП), що підлягають знищенню. Це дозволить вирішити відразу декілька задач:

- за рахунок зниження переподрібнювання середовища при вибуху підвищити коефіцієнт використання сировини при виробництві щебеню;

- знизити витрати високобризантних вибухових речовин;

- знизити витрати на ліквідацію конверсійних порохів і твердих ракетних палив.

Однак, використання зарядів із ГНЕР у даний час не знайшло широкого застосування. Це пояснюється недостатнім знанням механізму їхньої дії на масив, що руйнується, відсутністю науково обґрунтованих методів розрахунку параметрів конструктивних елементів цих зарядів, що забезпечують підвищення виходу кондиційних фракцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до напрямку досліджень, проведених кафедрою "Технічна механіка" Кременчуцького державного політехнічного університету і є складовою частиною держбюджетних і госпдоговорных НДР, виконаних у 1990 - 2001 р., згідно з плановими завданнями Міністерства освіти і науки України ( реєстраційні номери 01890037292, 0196U014679, 0199U004055; інвентарні номери звітів 02900052636, 0299U001426, 0200U003710) і плану розвитку нової техніки Кременчуцького кар'єроуправління "Кварц" (г/т № 517 ТХ - 96), в яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі досліджень полягають в обгрунтуванні раціональних параметрів зарядів з газоутворюючими недетонуючими енергоактивними речовинами, що дозволяють підвищити вихід кондиційних фракцій руйнованих порід.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації ставляться і вирішуються такі задачі:

1. Обгрунтувати розв'язання задачі про напружено-деформований стан масиву в ближній зоні дії вибуху на початковій стадії його розвитку з урахуванням часу хімічної реакції детонації.

2. Встановити залежності зміни розмірів уламків, що утворюються у ближній зоні дії вибуху, від швидкості хімічної реакції вибухової речовини і швидкості збільшення тиску у зарядній порожнині.

3. Встановити закономірності зміни розподілу зон концентрації напружень в залежності від величини короткосповільненого підривання ділянок вибухової речовини, що примикають до одного й того ж недетонуючого проміжку.

4. Обгрунтувати раціональні параметри і розробити методику розрахунку конструктивних елементів зарядів з ГНЕР, що забезпечують підвищення виходу кондиційних фракцій.

Об'єт дослідження – параметри вубухового руйнування скельних масивів свердловинними зарядами ВР з метою одержання сировини для виробництва щебеню.

Предмет дослідження – свердловинні заряди ВР, комбіновані з газооутворюючими недетонуючими енергоактивними речовинами, що забезпечують збільшення виходу кондиційних фракцій.

Ідея роботи полягає в керуванні напружено-деформованим станом гірського масиву за рахунок зміни швидкості зростання тиску в різних ділянках зарядної порожнини й інтерференційної взаємодії хвиль напружень при вибуху комбінованих з ГНЕР зарядів.

Методи досліджень: для досягнення мети і вирішення задач, поставлених у даній роботі, був виконаний комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, що включає аналіз і узагальнення спеціальної наукової літератури, аналітичне моделювання розглядуваних фізичних процесів та їх вивчення у лабораторних та дослідно-промислових умовах. У сфері теоретичних досліджень використані елементи теорії пружності, опору матеріалів, теорія коливань і крихкого руйнування. В області експериментальних досліджень застосовувалися методи: оцінки ефективності вибуху за розміром середнього шматка уламків моделі і аналізу їх гранулометричного складу, дослідження напружено-деформованого стану середовища за допомогою перетворення механічного сигналу на електричний конденсаторним датчиком і реєстрації останнього запам'товуючим осцилографом С 8-13, визначення кількості і довжини нерозкритих тріщин за рахунок використання оптично прозорих матеріалів для виготовлення руйнованих моделей, швидкісного фотографування швидкоплинних процесів. Обробку експериментальних данних виконували на ПЕОМ методами математичної статистики з використанням різноманітних регресійних моделей.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Розмір уламків, що утворюються у ближній зоні дії вибуху, визначається відстанню між радіальними тріщинами. Ця відстань визначається добутком швидкості поздовжньої хвилі пружності і відношення варіації межі міцності на розрив руйнованої гірської породи до швидкості збільшення азимутального нормального напруження при зміні його знаку від стиснення до розтягнення.

2. У подовженому заряді відсотковий вміст газоутворюючої недетонуючої енергоактивної речовини, що забезпечує мінімізацію діаметра середнього шматка, не залежить від коефіцієнту подовження заряду. Максимально можливий вихід кондиційних фракцій досягається у разі розташування ГНЕР в окремих ділянках, довжини яких визначаються коефіцієнтом подовження заряду.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що

1. Уперше для обгрунтування апроксимації тиску в зарядній порожнині експоненціальним поліномом, до степеня якого входить час реакції детонації, використано подання загального детонаційного тиску у вигляді суми механічної та теплової складових.

2. Уперше враховані варіація межі міцності руйнованого масиву і швидкості збільшення азимутального напруження при обчисленні розмірів уламків, що утворюються у ближній зоні дії вибуху циліндричного заряду.

3. Уперше встановлені закономірності впливу кількості локальних екстремумів у вибуховому імпульсі збурення середовища на розподіл зон посилення напружень.

4. Уперше встановлені закономірності впливу коефіцієнту подовження заряду на кількість і відносну довжину ділянок з ГНЕР у свердловинному заряді ВР, за яких досягаєтьс максимальний вихід кондиційних фракцій.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням фундаментальних положень теорії пружності, опору матеріалів, теорії коливань і крихкого руйнування; використанням сучасних методів і приладів для реєстрації швидкоплинних процесів; достатньою кількістю виконаних дослідів і задовільною розбіжністю (у межах 15-20 %) результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірності впливу швидкості зростання тиску в зарядній порожнині і варіації межі міцності руйнованих порід на розміри уламків, що утворюються у ближній зоні дії вибуху; удосконаленні моделі механізму руйнування крихких матеріалів щляхом урахування впливу розвантаження напружень на берегах тріщин; у встановленні закономірності розподілу зон концентрації механічних напружень від часу сповільненного підривання ділянок вибухової речовини, які примикають до одного й того ж недетонуючого проміжку та характера генерованої хвилі.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблена і впроваджена у виробництво конструкція свердловинного заряду, що дозволяє керувати розподілом енергії вибуху за рахунок інтерференційної взаємодії хвиль напруг, що генеруються суміжними ділянками ВР, розділеними ГНЕР, і зниження швидкості зростання тиску в локальних ділянках свердловинного заряду (у місцях розміщення ГНЕР).

2. Розроблений і пройшов дослідно-промислову перевірку спосіб підвищення надійності передачі детонації через недетонуючу ділянку, що полягає в розміщенні "підтримуючих" зарядів ВР у цій ділянці.

3. Розроблений спосіб зменшення виходу негабаритних фракцій без зменшення переподрібненних, що включає використання ГНЕР у додаткових укороченних зарядах ВР, який доводить можливість використання цих речовин при розробці рудних корисних копалин.

Практична цінність роботи полягає в обгрунтуванні та розробці методики розрахунку конструктивних елементів свердловинних зарядів ВР з газоутворюючими недетонуючими енергоактивними компонентами, за яких забезпечується зменшення відносного виходу перездрібненних і негабаритних фракцій відповідно на 31-46 % і 11-22 %, та абсолютного розміру середнього куска – на 1,5-2,5 % в умовах відкритої розробки гранітних порід з метою виробництва щебеню.

Реалізація роботи у промисловості полягає у впровадженні результатів роботи у Рижевському гранітному кар'єрі (акт впровадження від 22 грудня 1999 р.) та Кременчуцькому кар'єроуправлінні "Кварц" (акт від 14 березня 2002 р.). У результаті впровадження поліпшена якість руйнування породи та зменшені витрати на вибухові матеріали, що дозволило одержати сумарний економічний ефект у розмірі 19 тис. грн.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової мети, задач, наукових положень і методики досліджень; виконанні теоретичних і лабораторних досліджень та аналізі отриманих результатів; обгрунтуванні та розробці методики розрахунку параметрів конструктивних елементів зарядів з газоутворюючими компонентами, що забезпечують підвищення виходу кондиційних фракцій в умовах розробки нерудних корисних копалин.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи доповідались на міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми створення нових машин і технологій" (Кременчук, 1998, 1999, 2000 р.), та науково-технічних семінарах Національного гірничого університету України (м.аДніпропетровськ, 2002 р.) та Інституті геотехнічної механіки НАН України (м.Дніпропетровськ, 2003 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 друкованих праць; у тому числі: у брошурі –1; статей у спеціалізованих, затвердженних ВАК України журналах –1; збірниках – 3; матеріалів конференцій – 3.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 115 найменувань на 11 сторінках і додатків; містить 130 сторінок машинописного тексту, 49 рисунків на 38 сторінках, 18 таблиць на 5 сторінках, 1 додатк на 16 сторінках; загальний обсяг роботи – 200 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконано аналіз сучасного стану теоретичних і експериментальних досліджень та практичного досвіду механізму дії вибуху комбінованих з недетонуючими газоутворюючими речовинами зарядів ВР на крихкі гірські породи. Встановлено, що особливістю дії цих зарядів є двохстадійне навантаження руйнованого масива: по-перше хвильове, по-друге – квазистатичне.

Теоріям поширення вибухових хвиль та процесу руйнуваня матеріалу їх дією присвячені наукові праці вітчизняних та закордонних вчених: Ф. Н. Баума, А.Ф. Бєляєва, О.Е. Власова, О.О. Вовка, В.Д. Воробйова, М.Ф. Друкованого, Е.І. Єфремова, Я.Б. Зельдовича, В.С. Кравцова, Р.С. Крисіна, В.М. Кузнєцова, В.П..Курінного, Ф.И. Кучерявого, М.А. Лаврентьєва, Ю.С. Меца, В.Н. Мосинца, Л. П. Орленка, Г.И. Покровського, В.Д. Петренка, В.Н. Родіонова, М.А. Садовского, К. П. Станюковича, К.Н. Ткачука, Н.А. Труфанова, Н.У. Турути, П.И. Федоренка, А.Н. Ханукаева, А.Ф. Шацукевича, Джоу Чи Пий, Г.А. Кенига, Р. Коула, Ч. Мейдера, П. Персона, Дж. С. Райнхарта, К. Юхансона та ін.

Визначення ролі квазистатичної дії продуктів детонації та дослідження особливостей руйнування, пов'язаних з нею, належить Г.П. Демидюку, В.М..Коміру, В.В. Воробйову, М.А. Куку, Б. Кильстрему, У. Лангефорсу.

Аналіз цих робіт показує, що комбіновані з газоутворюючими недетонуючими речовинами заряди ВР дозволяють регулювати співвідношення між руйнуванням, яке утворюється за рахунок хвильової і квазистатичної дії вибуху. Збільшуючи або зменшуючи вплив того чи іншого фактору, можна досягти узгодження параметрів імпульсу вибуху з фізико-механічними властивостями масиву, що руйнується, і тим самим забезпечити підвищення ефективності його дроблення.

Однак, застосування зарядів із недетонуючими газоутворюючими речовинами поки що не знайшло широкого використання. Це пояснюється тим, що в теперішній час питання ефективності комбінованих зарядів, до складу яких входять недетонуючі газоутворюючі речовини чи їх різновид – ГНЕР, вивчено швидше феноменологічно. Мало уваги приділено дослідженню залежності гранулометричного складу відбитої гірської маси від схем розміщення ГНЕР відносно ВР. Відсутні дані, що стосуються дослідження інтерференційної взаємодії суміжних ділянок ВР одного й того ж заряду. Не визначені раціональні значення параметрів конструктивних елементів зарядів у залежності від типу середовища, що руйнується, і області застосування, немає методики їхнього розрахунку. Розробка такої методики повинна ґрунтуватися на вивченні залежності щільності тріщин, зароджуваних вибухом, від швидкості зростання тиску в зарядній порожнині; визначенні впливу процентного вмісту газоутворюючої речовини, а також зміни числа і розмірів ділянок з нею на гранулометричний склад висадженої маси. У зв'язку з цим виникає задача детального вивчення поводження матеріалу при імпульсних навантаженнях, особливостей його деформування і руйнування у залежності від швидкості зростання вибухового тиску, визначення числа тріщин, що утворюються в матеріалі в місці його контакту з ВР і компонентом, що не детонує, а також характеру розвитку цих тріщин.

Виходячи з цього, і були поставлені мета і завдання досліджень.

Другий розділ присвячений теоретичному дослідженню напружено-деформованого стану середовища і його руйнуванню комбінованими зарядами в яких вибухова і газоутворююча речовина розташовані в окремих ділянках. Наявність таких ділянок призводить до різної швидкості зростання тиску в окремих ділянках зарядної порожнини. Для дослідження впливу цього фактора джерело збурювання представлене функцією тиску продуктів детонації від часу, вигляд якої обрано з урахуванням тривалості хімічної реакції детонації й існування надлишкового тиску в зарядній порожнині:

де - тиск у точці Чепмена-Жуге, Па; t R- тривалість хімічної реакції детонації, с; tW -тривалість існування надлишкового тиску в зарядній порожнині, с.

Досліджувані в роботі заряди переважно застосовуються у крихких гірських породах, тому моделювання середовища виконано в рамках пружного наближення.

У результаті розв'язання задачі про напружено-деформований стан середовища установлено, що в початковий момент часу матеріал знаходиться в умовах всебічного стиску (рис. 1), а умови, сприятливі для руйнування, створюються

Рис.1. Зміна напружено-деформованого стану матеріалу з часом у стінці зарядної порожнечі: 1, 2 - радіальні та азимутальні нормальні напруження; 3 - радіальна деформація.

тоді, коли азимутальні нормальні напруження змінюються від стиску до розтягнення. Цей висновок погоджується з експериментальними даними про існування часу затримки розвитку руйнування, отриманими різними авторами. З огляду на цей висновок початок руйнування має бути у вигляді формування зародкових радіальних тріщин, відстань між якими визначає розмір уламків у ближній зоні. Завдяки наявності варіації межі міцності на розтягнення вр початок зародження поодиноких тріщин буде відмінним на величину t, що може бути знайдена з умови:

, (3)

де (t) - закон зміни азимутального напруження; t1 - час, коли азимутальні напруження досягають межі міцності на розтягнення вр.

Функція (t) може бути лінерізована, тоді

, (4)

а відстань між тріщинами може бути визначена за формулою:

, (5)

де с - швидкість розповсюдження повздовжньої хвилі пружності, м/с; - варіація межі міцності на розтягнення; - швидкість зростання азимутального нрмального напруження.

Формула (5) є математичним виразом першого наукового положення. В ній уперше враховані варіація межі міцності та швидкості зростання тиску для обчислення кроку радіальних тріщин у стінці зарядної порожнини.

Збільшення часу реакції детонації приводить до зростання тривалості періоду існування всебічного стиску і свідчить про те, що в зоні розміщення ГНЕР "зародкові" тріщини формуються за рахунок дії хвилі напруг від суміжних ділянок ВР. В силу цього і більш "м'якої" своєї дії квазистатичний тиск продуктів горіння приведе тільки до подальшого розкриття сформованих хвилею напружень тріщин без істотного формування нових. Таким чином, руйнування матеріалу, що примикає до ділянки свердловини з речовиною, що не детонує, відбудеться на уламки, розмір яких буде визначатися кроком тріщин, сформованих хвилею напружень. В міру віддалення від торця ділянки ВР інтенсивність хвилі зменшується. Крок між тріщинами, а отже розмір осколків, збільшується. Регулюючи довжину ділянки з ГНЕР, можна одержати діаметр середнього шматка цих уламків порядку кондиційного.

Для розрахунку кроку тріщин у залежності від віддалення від торця ділянки ВР по напрямку до ділянки з газоутворюючою речовиною, запропонована формула:

, (6),

де - швидкість зростання азимутального нормального напруження в стінці зарядної порожнини в місці розміщення ВР, МПа/мкс.

За формулою (6) довжина ділянки з ГНЕР, за якої крок тріщин у середньому не перевищує розміру мінімальних кондиційних фракцій (5 мм), не повинна перевищувати шести діаметрів заряду.

Поділ свердловинного заряду проміжками газоутворюючої речовини створює умови для виникнення інтерференції хвиль напружень від вибуху суміжних ділянок ВР. Дослідження цього явища в припущенні наявності трьох максимумів у головній частині імпульсу напружень показало, що вигляд інтерференційної картини залежить від величини часу уповільненого висадження наступної ділянки ВР. При миттєвому висадженні геометричне місце точок синфазної взаємодії хвиль (тобто посилення напружень) утворює сімейство ліній, що виходять від ділянки, що не детонує, у вигляді віяла, симетрично до горизонталі. Уповільнене висадження зарядів приводить до скривлення ліній, уздовж яких відбувається складання амплітуд напруг, у бік заряду, що підривається з уповільненням. У разі досягнення величиною уповільнення деякого критичного значення інтерференція не реалізується. У цьому випадку масив зазнає багаторазове навантаження, що, як відомо, сприяє його руйнуванню.

Наявність сімейства областей максимумів напруг, між якими знаходяться зони послаблення, свідчить про реалізацію великого градієнта напруг, що сприяє руйнуванню матеріалу на окремості, розмір яких не перевищує відстані між лініями екстремальних напруг.

У третьому розділі наведені експериментальні результати вивчення форми хвилі збурювання, викликаного імпульсним джерелом; впливу швидкості зростання тиску в локальній ділянці зарядної порожнини на кількість тріщин, що утворюються в середовищі, яке примикає до цієї ділянки; раціональних конструкцій комбінованих із ГНЕР зарядів ВР, що дозволяють одержати зменшення діаметра середнього шматка з одночасним зменшенням пилоподібних фракцій.

Для вивчення форми хвилі збурення у якості чутливого елементу був обраний конденсаторний датчик. З метою зниження впливу датчика на профіль хвиль, його пластини виготовляли з алюмінієвої фольги товщиною 0,05 мм, а діелектричну прокладку (товщиною 0,75мм) – з матеріалу моделі. Електричний сигнал з датчика реєстрували запам'ятовуючим осцилографом С8-13. Розшифровка осцилограм показала, що радіальний стиск у хвильовому збуренні характеризується наявністю кількох (3-5) екстремумів. Даний результат якісно підтверджує результати теоретичного (3 екстремуми) розрахунку напружено-деформованого стану масиву.

Теоретичне прогнозування довжини газоутворюючої ділянки виконано в припущенні залежності числа тріщин, що зароджуються, від швидкості зростання напружень у локальному місці зарядної порожнини. Справедливість даного припущення перевіряли при вивченні особливостей тріщиноутворення при прямому і дотичному падінні детонаційної хвилі на стінку шпура (рис.2.а ).

Для усунення впливу тріщин, що развиваються уздовж осі шпура, на зародження нових, модель склеювали з дисків (рис.2 б). Як показали результати експериментів, характер руйнування дисків істотно відрізнявся. Так, у диску №1, в якому розміщали ініціатор (1), була виявлена максимальна кількість радіальних тріщин. У наступних дисках число тріщин монотонно знижувалося. Довжина се-редньої тріщини, навпаки, в першому диску була мінімальна, у наступних дисках

а б в

Рис.2. Вплив кута падіння детонаційної хвилі на відносну кількість радіальних тріщин: а - кут падіння детонаційної хвилі; б - модель; в - залежність відносної кількості тріщин від кута падіння.

збільшувалася. Одержаний результат підтверджує теоретичний висновок про залежність відстані між радіальними тріщинами від швидкості зростання тиску.

Визначення раціональних параметрів комбінованих із ГНЕР зарядів ВР (рис.3) виконували на моделях з органічного скла. У першу чергу досліджували вплив крупності ГНЕР на ефективність вибуху. Було встановлено, що мінімальний розмір середньозваженого шматка уламків моделі виходить, коли крупність добавки знаходиться у межах (0,25 – 0,35)dз

Установивши раціональну крупність ГНЕР, досліджували вплив числа і довжини ділянок, а відтак процентного вмісту ГНЕР на розмір середнього шматка роздроблених вибухом моделей. Дослідження виконане для зарядів з коефіцієнтом подовження відповідно 5,7; 11,4; 17,2 та 22,9. Аналіз отриманих даних (рис.4) показав, що максимальне зменшення діаметра середнього шматка досягається при заміні (30-35)% ВР газоутворюючою недетонуючою енергоактивною речовиною. Цей процент практично не залежить від коефіцієнту подовження заряду. Кращу ефективність виявили заряди, у яких ГНЕР розміщували в кількох окремих ділянках. Виявлено, що раціональна відносна довжина однієї ділянки зв'язана з коефіцієнтом подовження заряду залежністю:

, (7)

де – відносна довжина проміжку ГНЕР; КУ – коефіцієнт подовження заряду.

Рис.4. Зміна відносного діаметру середнього шматка в залежності від загальної довжини ділянок з ГНЕР і коефіцієнту подовження заряду (а, б, в) та відносної довжини однієї ділянки з ГНЕР від коефіцієнту подовження заряду (в): кількість ділянок з ГНЕР:1 - дві; 2 - три; 3 - чотири; 4 - п'ять.

Оскільки процентний вміст ГНЕР практично не залежить від коефіцієнту подовження заряду, то використання формули (6) дозволяє розрахувати раціональне число ділянок, що не детонують.

У четвертому розділі наведені результати промислових досліджень раціональних конструкцій комбінованих із ГНЕР зарядів ВР, що забезпечують мінімізацію втрат мінеральної сировини. Масові вибухи були проведені на гранітному кар'єрі ККУ "Кварц" (м. Кременчук). Параметри БВР вибирали згідно з типовим проектом: відстань між рядами свердловин складала 5,0 м; відстань між свердловинами в першому ряді – 5,0 м, у другому і третьому рядах – 5,5 м; глибина перебура – 2 м; ЛСПП – 6 м. Діаметр свердловини – 250 мм; місткість ВР – 45 кг/п.м.; місткість пороху – 36-38 кг/п.м. Питома витрата – (1,0-1,1) кг/м3. Застосовуване ВР – грамоніт 50/50. Схема висадження – короткосповільнена, діагональна. Інтервал уповільнення 35 мс. Аналіз експериментальних вибухів показав, що:

1. При використанні свердловин діаметром 250 мм формування комбінованих із ГНЕР зарядів ВР повинно виконуватися з застосуванням розмірів окремостей недетонуючого компонента, що не перевищують (4-5) см. Їхній процентний вміст (при використанні схеми заміщення) не повинен перевищувати (25-30)% від ваги суцільного заряду. Ця величина менше отриманої в лабораторних умовах, що пояснюється більшою міцністю гранітів у порівнянні з органічним склом.

2. Для забезпечення надійної передачі детонації від активного заряду ВР до пасивного довжина ділянок із ГНЕР не повинна перевищувати 3dз. У разі потреби збільшення цієї довжини, надійність передачі детонації може бути забезпечена за рахунок застосування "підтримуючих" зарядів (одного чи кількох у залежності від необхідної довжини проміжку ГНЕР), розташовуваних усередині ділянки ГНЕР. Тип ВР "підтримуючих" зарядів повинен забезпечувати швидкий вихід детонації на стаціонарний режим.

3. При коефіцієнті подовження зарядів порядку Ку = 40 (що властиво для більшості кар'єрів України) мінімальний розмір відбитої гірської маси досягається при розміщенні ГНЕР у 2-4 ділянках, укладених між ВР. У цьому випадку відносний вихід переподрібнених фракцій зменшується на 31-46%, негабаритних – на 11-22%, розмір середнього шматка, у цілому, зменшується незначно (1,5-2,5)%.

4. Зпівставлення результатів, одержаних, коли Ку = 40, з лабораторними, надає підставу вважати, що формула (7) має бути записана у вигляді:

. (8)

Як відомо, одним з методів поліпшення руйнування верхніх шарів блоку, що відбивається, є застосування додаткових укорочених зарядів. Вивчення ефективності застосування ГНЕР у таких зарядах було виконано в умовах Рижевського гранітного кар'єру. Параметри буровибухових робіт складали: сітка 4х5; глибина свердловини -8 м; діаметр - 0,215 м; забійка – 3 м; маса заряду - 165 кг. Схема висадження – короткосповільнена діагональна. Додаткові шпури мали параметри: глибина -3 м, діаметр - 0,125м, довжина забійки - 1м. Їх забурювали в центрах прямокутників, утворених основною сіткою свердловин. Проведені експерименти показали ефективність застосування ГНЕР у додаткових укорочених свердловинах. Розміщення їх у кількості 22-25% від ваги вихідного суцільного заряду ВР, приводить до зниження виходу негабаритної фракції на 9-14 % і зменшенню діаметра середнього шматка на (4-5)%. При цьому, з погляду надійності передачі детонації, усю масу ГНЕР варто розміщувати в 3-4 проміжках, розташованих між рівними частинами ВР.

ВИСНОВКИ

У дисертації викладене нове рішення актуальної науково-технічної задачі обґрунтування раціональних параметрів зарядів ВР із газоутворюючими речовинами шляхом урахування швидкості зростання тиску в зарядній порожнині, варіації межі міцності руйнованих порід і розвантаження напружень на краях тріщин, що розвиваються, а також характеру генерованої хвилі, яке дозволяє визначити конструкцію зарядів, що забезпечують найбільший вихід кондиційних фракцій в умовах розробки скельних порід відкритим способом.

Основні наукові висновки і практичні рекомендації, що отримані в дисертації, базуються на результатах теоретичних і експериментальних досліджень і зводяться до наступного.

У науковому відношенні

1. Уперше для обгрунтування моделювання тиску у зарядній порожнині експоненційним поліномом, до степеня якого входить тривалість реакції детонації, використане подання загального детонаційного тиску у вигляді суми механічної та теплової складових. Це дозволило обгрунтувати і розв'язати задачу про напружено-деформований стан масиву з урахуванням тривалості хімічної реакції детонації.

2. Уперше одержані закономірності зміни розмірів уламків породи, що отримуються з ближньої зони дії вибуху, від швидкості збільшення тиску в зарядній порожнині та варіації межі міцності на розтягання руйнованого крихкого матеріалу. Уперше виявлено, що швидкість збільшення напружень в стінці зарядної порожнини в гранітних породах виражається залежністю:

V = 162,79exp(-0,026tR).

Уперше отримана формула для розрахунку відстані між радіальними трі-щинами, що утворюються в стінці зарядної порожнини, у вигляді:

S = c(вр/V).

Уперше отримана закономірність зміни відстані між радіальними тріщинами у стінці свердловини в залежності від відстані від ділянки, що вміщує ВР, у вигляді: S = S0( r)-1,38. Використання цієї залежності дозволило теоретично обгрунтувати раціональні довжини ділянок з ГНЕР.

3. Уперше виявлено, що зона посилення напружень, яка утворюється за рахунок інтерференції імпульсів, що генеруються ділянками ВР, які примикають до одного й того ж недетонуючого проміжку, розщеплюється на кілька підзон, між якими розташовані зони послаблення напружень. Це збільшує градієнт напружень, визначає напрямок і форму розвитку тріщин. Кількість підзон визначається кількістю локальних екстремумів напруження у хвилях збурення і часом затриманого підривання ділянок ВР. Вперше отримана залежність межі часу затримання, за якої ще відбувається інтерференція хвиль, від довжини недетонуючого проміжку у вигляді .

4. Уперше виявлено, що процентний вміст ГНЕР, при якоми досягається мінімальний діаметр середнього шматка, не залежить від коефіцієнта подовження заряду.

5. Уперше експериментально виявлена залежність між коефіцієнтом подовження заряду і відносними довжинами ділянок з газогенеруючою речовиною, за яких досягається максимізація одержання кондиційних фракцій:

.

6. Визначено, що при розробці гранітних порід з використанням свердловин глибиною до 15 м, загальна вага ГНЕР повинна складати (25-30)% від ваги початкового заряду і не залежить від коефіцієнта подовження. Урахування цього і довжини одного проміжку дозволяє обчислити кількість останніх:

.

У практичному відношенні

1. Розроблена і впроваджена у виробництво конструкція свердловинного заряду, що дозволяє керувати розподілом енергії вибуху за рахунок інтерференційної взаємодії хвиль напруг, генерованих ділянками ВР, що примикають до одного й того ж недетонуючого проміжку, і зниження швидкості зростання тиску в окремих ділянках свердловинного заряду (у місцях розміщення ГНЕР).

2. Розроблений і пройшов дослідно-промислову перевірку спосіб підвищення надійності передачі детонації через недетонуючу дільницю, що дозволяє регулювати величину внутришньосвердловинного затримання.

3. Розроблений спосіб зменшення виходу негабаритних фракцій без зменшення переподрібнених, який включає використання ГНЕР у допоміжних укорочених зарядах ВР, що доводить можливість використання цих речовин в умовах розробки рудних корисних копалин.

4. Обгрунтована і розроблена методика розрахунку раціональних розмірів конструктивних елементів свердловинних зарядів ВР із газоутворюючими недетонуючими енергоактивними компонентами, у разі використання яких забезпечується зменшення відносного виходу переподрібненних і негабаритних фракцій відповідно на 31-46 %, і 11-22 %, та абсолютного розміру середнього шматка на 1,5-2,5 % за умов відкритої розробки гранітних порід з метою виробництва щебеню.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах:

брошура

1.

статті

2.

3.

4.

5.

доповіді

6.

7.

8.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві, полягає в такому: [1] - виконання аналітичних і експериментальних досліджень; [2] - виконання експериментальних досліджень, аналіз результатів; [3] - аналіз літературних джерел, виконання теоретичних досліджень; [5] - формулювання задачі і методики дослідження, аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Литовченко С.А. "Дослідження механізму дії та обґрунтування раціональ-них параметрів зарядів вибухової речовини з газоутворюючими компонентами". – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва". Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена обґрунтуванню раціональних параметрів зарядів ВР з газоутворюючими речовинами, що забезпечують підвищення виходу кондиційних фракцій при розробці скельних масивів відкритим способом. Виявлено, що розміщення газоутворюючих речовин у вигляді окремих ділянок зменшує утворення переподрібнених фракцій у зоні масиву, що примикає до цих ділянок; забезпечує інтерференційну взаємодію хвиль напруг, генерованих суміжними ділянками ВР. Таке перерозподіляє енергію вибуху з ближньої зони в середню, що знижує вихід негабаритних фракцій. Уперше виявлено, що відстань між радіальними тріщинами залежить від варіації межі міцності та швидкості зростання тиску. Розроблено методику розрахунку параметрів комбінованих зарядів, що забезпечують максимізацію виходу кондиційних фракцій у висадженій гірській масі. Економічній ефект від впровадження розроблених рекомендацій склав 19 тис. грн.

Ключові слова: вибух, ділянки з газоутворюючою речовиною, заряд вибу-хової речовини, інтерференція, суміжні ділянки ВР, швидкість зростання тиску.

АННОТАЦИЯ

Литовченко С.А. "Исследование механизма действия и обоснование рациональных параметров зарядов взрывчатого вещества с газообразующими компонентами". – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – "Физические процессы горного производства". Национальный горный университет Украины Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена обоснованию рациональных параметров зарядов взрывчатого вещества с газообразующими компонентами, обеспечивающих повышение выхода кондиционных фракций при разработке скальных массивов открытым способом. В работе изложено новое решение актуальной задачи обоснования рациональных параметров зарядов с газообразующими недетонирующими энергоактивными веществами, позволяющими повысить выход кондиционных фракций разрушаемых пород.

Обоснование выполнено теоретическим, экспериментальным и опытно-промышленным методами. Теоретически обосновано моделирование импульсного источника напряжений экспоненциальным полиномом, в степени которого входят время химической реакции детонации и время существования избыточного давления в зарядной полости. Выполненные расчет напряженно-деформированного состояния массива в ближней зоне действия взрыва и развитие представления о генерировании волны разгрузки с берегов развивающейся радиальной трещины, а также учет вариации предела прочности на растяжение взрываемой породы позволили впервые определить расстояние между радиальными трещинами в стенке зарядной полости в зоне размещения взрывчатого материала и в участках скважины, заполненных недетонирующим веществом. Как следствие, установлено, что образование переизмельченных фракций в зонах массива, примыкающих к недетонирующим участкам, существенно уменьшено и зависит от длины последних. Увеличение этой длины свыше шести диаметров заряда не рационально. Впервые при расчете интерференционного взаимодействия волн напряжений, генерируемых взрывом участков ВВ, примыкающих к недетонирующему, учтено наличие нескольких локальных экстремумов напряжения в импульсном возмущении. Показано, что расщепление зоны интерференционного усиления напряжений на несколько подзон, между которыми реализуется ослабление, перераспределяет энергию взрыва из ближней зоны в среднюю, что способствует снижению выхода негабаритных фракций.

Экспериментально подтверждено наличие локальных экстремумов напряжения. Их количество (3-5) соответствует теоретическим данным (3). Определено время задержки начала развития трещин (25-35 мкс), что сопоставимо с теоретическим (20-30 мкс), однако в 1,5-2,2 раза превышает данные других авторов. Теоретический вывод о влиянии скорости нарастания напряжений на расстояние между радиальными трещинами подтвержден путем определения их относительного числа в стенке шпура при прямом и скользящем падении детонационной волны на преграду.

Впервые установлена независимость процентного содержания газообразующих компонентов в заряде взрывчатого вещества (при котором обеспечивается максимизация выхода кондиционных фракций) от коэффициента удлинения заряда. Вместе с этим длины отдельных участков с таким компонентом зависят от коэффициента удлинения заряда.

Разработана и внедрена в производство конструкция скважинного заряда, позволяющая управлять распределением энергии взрыва за счет интерференционного взаимодействия волн напряжений, генерируемых участками взрывчатого вещества, которые примыкают к одному и тому же недетонирующему промежутку, и уменьшения скорости увеличения давления в отдельных участках скважинного заряда. Разработан и прошел опытно-промышленную проверку способ повышения надежности передачи детонации через недетонирующий участок. Разработан способ снижения выхода негабаритных фракций без уменьшения содержания пылевидных, который обеспечивает применение газообразующих веществ в рудной добывающей промышленности. Обоснована и разработана методика расчета рациональных размеров конструктивных элементов скважинных зарядов взрывчатого вещества с газообразующими недетонирующими энергоактивными компонентами, которые обеспечивают уменьшение относительного выхода переизмельченных и негабаритных фракций соответственно на 31-46 %, и 11-22 %, и абсолютного размера среднего диаметра куска на 1,5-2,5% в условиях открытой разработки гранитных пород с целью производства щебня. Экономический эффект от внедрения рекомендаций составил 19 тис. грн.

Ключевые слова: взрыв, участки с газообразующим веществом, заряд взрывчатого вещества, интерференция, смежные участки ВВ, скорость увеличения давления.

ABSTRACT

Litovchenko S. "Study of mechanism of action and substantiation of rational parameters of explosive charges with gas-forming components". - Manuscript.

Thesis for candidate's degree in technical sciences in speciality 05.15.11 - "Physical processes of mining production". National mining university of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2003.

The thesis is dedicated to substantiation of rational parameters of explosive charges with gas-forming components, which ensure increasing a receipting the standard factions at the open-pit mines rock. Ascertain that location gas-forming substances in the manner of separate sections reduces a formation superfluous-broken factions in zones of array, verging to this sections, ensures interference interaction of stress waves, generated by adjacent explosive contain sections. This to redistributed an energy of blast from shatter zone in transition zone that reduces a receipt the oversize factions. For the first time ascertained that distance between radial rifts depends on tensile strengths variation and velocity of increasing a pressure. Designed method of calculation of parameters of composite charges, which ensure of receipting maximum of the standard factions in volume of rock blasted. Economic effect from introducing recommendations has formed 19 thousand grn.

Keywords: blast, sections with gas-forming substances, explosive charges, interference, explosive contain sections, velocity of increasing a pressure.

Литовченко Сергій Олександрович

Дослідження