Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

ПОЛЯКОВСЬКИЙ Володимир Олександрович

УДК 622.235.672.5

Обґрунтування раціональних параметрів вибухових хвиль у піщаних гірських породах поблизу підземних споруд

Спеціальність: 05.15.11 – фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі інтенсифікації обмінних процесів Відділення геодинаміки вибуху Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України

(м. Київ).

Науковий керівник: |

доктор технічних наук, професор Садовенко Іван Олександрович, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ і фундаментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. В.Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України;

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

Провідна установа: | Донбаський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій та гірничих споруд (м.Алчевськ).

Захист відбудеться “ 6 ” жовтня 2006 р. о 14 годині 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м.Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 6 ” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент |

Тимощук В.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підривання значних об’ємів вибухових речовин супроводжується формуванням потужних ударних хвиль, які можуть бути небезпечними для підземних об’єктів, що знаходяться поблизу проведення робіт. Існують різноманітні технічні задачі, в яких доцільно використовувати вибухові технології, проте широке їх використання обмежується необхідністю виконання вимог по захисту навколишнього середовища.

При проведенні вибухових робіт поблизу різних підземних споруд для попередження аварійної ситуації важливо знати поля напружень, які виникають на їх поверхні. Вибір раціональних параметрів вибуху призводить до зменшення витрат за рахунок зниження аварійних ситуацій, які можуть траплятися при впровадженні вибухових технологій.

Найбільш необхідною є розробка методики визначення раціональних параметрів вибуху в гірському масиві з піщаних порід. Вона пов’язана з дослідженням хвильових полів, що при цьому виникають, та їх взаємодії з підземними спорудами.

Знання закономірностей поширення вибухових хвиль у піщаних гірських породах, їх взаємодії з підземними спорудами, а також особливостей механічного ефекту вибуху дозволить знаходити шляхи раціонального використання енергії вибуху, керувати його дією. Цілеспрямована зміна параметрів вибуху, а також застосування технічних рішень, які забезпечують реалізацію керування, дає змогу здійснити регульовану дію на масив, досягти заданого технологічного ефекту, обмежуючи його негативний вплив на підземні споруди.

Існуючі в наш час експериментальні дані не дають можливості повною мірою описати процеси поширення хвиль напружень у піщаних гірських масивах та їх дію на підземні споруди. Тому актуальним є виконання досліджень для визначення ступеня дії ударних хвиль на підземні конструкції і обґрунтування вибору технологічних параметрів з оцінкою безпечних відстаней проведення вибухових робіт поблизу підземних споруд.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Робота виконана в порядку проведення науково-дослідних робіт за пріоритетними напрямками розвитку фундаментальних досліджень в Національній Академії наук України: проблема 3.2.13 “Наукові основи удосконалення відбійки гірських порід при відкритій і підземній розробці корисних копалин”; проблема 3.2.3.4. “Розробка наукових основ нових методів і технічних засобів для найбільш повного вилучення вуглеводнів із надр”, і є складовою частиною держбюджетних тем НДР: „Дослідження і розробка динамічних методів дії на породний масив при розробці корисних копалин геотехнологічними методами”, № держреєстрації 01.89.0025361; „Дослідження механічної поведінки ґрунтів і гірських порід при нерівномірних просторових динамічних навантаженнях з врахуванням гірського і пластового тисків”, № держреєстрації 01.93.0004189. Автор дисертаційної роботи був відповідальним виконавцем експериментальних розділів цих НДР.

Мета і задачі досліджень полягають в обґрунтуванні методики визначення раціональних параметрів проведення вибухових робіт в піщаних гірських масивах на основі експериментального дослідження закономірностей поширення вибухових хвиль та їх взаємодії з підземними конструкціями.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації ставляться та вирішуються такі задачі.

1. Обґрунтувати теоретичні та експериментальні підходи щодо дослідження процесу поширення вибухових хвиль поблизу підземних споруд.

2. Встановити закономірності хвильових процесів в приповерхневій зоні при вибуху зосереджених зарядів в піщаних гірських породах з різними фізико-механічними властивостями.

3. Експериментально дослідити та теоретично узагальнити дії імпульсних навантажень на підземні конструкції.

4. Розробити рекомендації та методики визначення раціональних параметрів проведення вибухових робіт поблизу підземних споруд.

Об’єкт дослідження -– процес поширення вибухових хвиль в піщаних гірських породах з різними фізико-механічними властивостями.

Предмет дослідження – параметри вибухових хвиль при їх взаємодії з підземними конструкціями, що розташовані поблизу вільної поверхні піщаного гірського масиву.

Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей поширення вибухових хвиль в піщаних гірських породах та їх взаємодії з підземними конструкціями для обґрунтування методики визначення раціональних параметрів проведення вибухових робіт зі збереженням підземних споруд.

Методи досліджень. Для досягнення мети і вирішення поставлених в даній роботі задач використовувався комплексний метод, що включає аналіз та узагальнення теоретичних та експериментальних результатів, полігонні дослідження дії вибуху з використанням оригінальних датчиків, використання фундаментальних положень теорії хвиль, аналіз експериментальних показників лабораторних та полігонних досліджень дії вибуху в піщаних гірських масивах з використанням статистичних обробок даних, вимірювання та аналітичний аналіз взаємодії вибухових хвиль з підземними конструкціями, узагальнення результатів експериментів та їх аналіз у вигляді методичних рекомендацій.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Основні параметри хвильових полів (напруження та імпульс) при вибуху зосереджених зарядів на глибинах менших ніж 2 (м), де Q – маса заряду (кг), задовільно описуються степеневими функціями залежними від вологості піщаного масиву, і від глибини закладання заряду. При одночасному підриванні групи однакових зарядів, приведена відстань між якими більша ніж 1,1 , максимальні напруження, що виникають в породному півпросторі, не перевищують максимальні напруження одного зосередженого заряду, при цьому збільшується імпульс ударної хвилі.

2. Зміна максимальних напружень, що виникають при вибуху трубопроводу, задовільно описується залежностями такого ж виду, як і при вибуху зосередженого заряду, причому на навколишнє середовище більше впливає механічна дія вибуху, ніж хвильові поля в породному просторі, що визначає допустимі відстані до підземних споруд.

3. При вибуху поблизу підземних циліндричних металевих конструкцій максимальні значення напружень у лобовій точці до 2,3 разів вищі ніж при вільному вибуху, а значення напружень в інших точках перешкоди не більш ніж при вільному вибуху зосередженого заряду і не менш ніж при вільному вибуху лінійного заряду, що визначає раціональні параметри проведення вибухових робіт.

Наукова новизна роботи.

1. Експериментально доповнені та узагальнені закономірності утворення ударно-хвильових полів у приповерхній зоні піщаного масиву поблизу підземних циліндричних об’єктів, а отримані експериментальні залежності в першому наближенні приведені до виду, відповідному принципу подібності.

2. На підставі експериментів вперше отримана узагальнена залежність максимальних напружень від приведеної глибини закладання заряду і вологості піщаного масиву.

3. Вперше експериментально отриманий часовий зріз дифракційного процесу на підземній циліндричній перешкоді, що дало можливість оцінити максимальні напруження на стінках підземних конструкцій розташованих у піщаних масивах поблизу ведення вибухових робіт.

4. Встановлено, що зміна максимальних напружень, які виникають при вибуху трубопроводу, задовільно описується степеневими залежностями того ж виду, що і при вибуху зосередженого заряду.

Достовірність наукових положень, висновків роботи підтверджується: використанням фундаментальних положень механіки сипучих середовищ, механіки ґрунтів, що мають загальнонаукове значення; використанням апробованих методик проведення лабораторних та полігонних експериментів з оригінальною вимірювальною апаратурою; збігом результатів з відомими експериментальними даними та теоретичними розробками.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей поширення вибухових хвиль та їх взаємодії з підземними циліндричними спорудами, що розташовані поблизу денної поверхні піщаних гірських масивів.

Практичне значення роботи полягає у складанні та впровадженні методики вимірювань дії вибухових хвиль на навколишнє середовище та підземні споруди у піщаних масивах; складенні та впровадженні рекомендацій щодо визначення раціональних параметрів вибухових робіт для розкриття піщаного масиву під росолосховища поблизу діючих підземних споруд.

Особистий внесок автора полягає у аналізі джерел інформації, формулюванні цілі, задач і визначенні методів досліджень, конструюванні і виготовленні оригінальних вимірювальних пристроїв, проведенні експериментів та узагальненні результатів, складанні і впровадженні методичних розробок щодо їх практичного використання.

Реалізація роботи в промисловості полягає у впровадженні методичних і практичних результатів роботи з спорудження на комбинаті "Неман" котлованів для підземних росолосховищ. Економічний ефект від впровадження склав 70,4 тис. грн.

Апробація результатів досліджень. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на школах-семінарах по вибухових явищах (Алушта, 1990-992р.м.), на міжнародних конференціях "Геотехніка-93" (Кельн,1993 р.), на конференції з екологічних проблем і перспектив розвитку магістральних трубопроводів (1997р.), Міжнародній школі-семінарі „Імпульсна обробка матеріалів” (Дніпропетровськ, НДУ,2003, 2005)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 друкованих праць, з них 7 у фахових виданнях України.

Об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків і списку літератури із 110 найменувань, викладена на 146 сторінках машинописного тексту, містить 48 рисунків, 12 таблиць.

Основний зміст роботи

В першому розділі роботи розглянутий сучасний стан теоретичних та експериментальних досліджень процесу підземного вибуху та взаємодії вибухових хвиль з підземними спорудами. Суттєвий прояв процесу вибуху в приповерхній зоні піщаних гірських порід на підземні споруди пов’язаний з вибуховими хвилями.

При теоретичному вивченні параметрів вибухових хвиль широке поширення набули чисельні методи моделювання вибухових процесів. Фундаментальний внесок у розвиток теоретичних методів вивчення вибухових процесів внесли відомі вчені С.С.Григорян, Б.А.Олісов, Г.М.Ляхов, В.А.Даниленко, Г.В.Риков, О.О.Вовк, В.Д.Петренко, В.П.Курінний, О.Ю.Ільшинський та ін.

Як показує практика, результати теоретичних розробок не завжди точно враховують ті чи інші фізичні процеси, що мають місце в гірських породах, що пов'язане з використанням ідеалізованих моделей.

До експериментальних розробок можна в першу чергу віднести роботи Г.М.Ляхова, С.С.Григоряна, А.А.Вовка, А.В.Михалюка, І.В.Бєлінського та ін. У цих роботах детально досліджується напружено-деформований стан гірських масивів при камуфлетных вибухах зарядів ВР різної конфігурації. Проте процеси, що виникають при вибухах у піщаних гірських масивах малозаглиблених зарядів вивчені недостатньо. Експериментальні дані з дослідження полів напружень в таких середовищах отримані з допомогою тензометричних вимірювань, що має свої недоліки. До них, в першу чергу, відносяться суттєві спотворення фронту наростання до максимуму напружень: „завал фронту” обумовлюється тривалим часом встановлення мембрани і обмеженим частотним діапазоном вимірювального обладнання. Похибки також збільшуються без автоматизованої числової обробки результатів.

На основі аналізу робіт з розрахунків напружено-деформованого стану циліндричних оболонок у пружному середовищі (А.С.Міляєв, А.А.Михайлов, В.А.Тарасова), вирішення задач дифракції плоскої ударної хвилі на циліндричні оболонки (Р.А.Дуднік, Е.А.Фіяскель, Н.Мамдашев, Л.В.Нікітін, А.И.Тюреходжаєв, А.К.Прейдин і ряд закордонних авторів), дослідження взаємодії сейсмічних хвиль з підземними трубопроводами (Н.И.Шапошников, Т.Р.Родіонов, Н.Х.Миралімов та ін) зроблений висновок, що недостатньо вивчені закономірності поширення ударних хвиль у ґрунтах при вибухах зарядів ВР поблизу денної поверхні, їх взаємодія з підземними спорудами, відсутні дані з розрахунків раціональних параметрів вибухових робіт у піщаних масивах. Виходячи з цього, були поставлені мета і задачі досліджень.

У другому розділі викладена методика проведення експериментальних досліджень, яка включає розробку датчиків напружень, вимірювального каналу, вибір умов проведення експерименту і оцінку похибок при вимірюваннях. Експериментальні дослідження виконувалися в піщаних гірських породах, характерних за властивостями для при поверхневих відкладень в Україні.

Як джерело вибуху використовувалися зосереджені заряди з амоніту N6ЖВ і гексогену масою від 0,02 кг до 10 кг у гідроізольованій оболонці і лінійні з детонуючого шнура ДШ-А. Вибухи зарядів ВР ініціювалися електродетонаторами ЭД-8. При вимірюванні параметрів ударних хвиль у породах (вільний вибух) п’єзодатчики, а також заряди ВР розміщувалися у досліджуваному середовищі в одній площині на рівному віддаленні від денної поверхні . При моделюванні взаємодії ударної хвилі з підземними спорудами, що знаходяться в піщаному гірському масиві, використовувалися відрізки сталевих труб діаметрами 0,150; 0,330 і 0,720 м. У цьому випадку заряди ВР розміщувалися на тій же глибині, що і вісь труби.

Для вимірювання напружень у ґрунтах були спеціально розроблені п’єзодатчики на основі титанату барію. Конструкця п’єзодатчика наведена на рис.1.

Відмінною рисою розроблених п’єзодатчиків було те, що за демпфуючий матеріал обраний пінополістирол, пориста структура якого дозволила звести до мінімуму поперечну чутливість п’єзодатчика та підвищити точність вимірювань.

Як узгоджуючий пристрій використовувався спеціально розроблений підсилювач заряду з пасивним інтегратором на вході з такими технічними характеристиками: вхідний опір не менш 1 ГОм, діапазон зміни коефіцієнта перетворення від 0,5 до 5,0 МПа/Кл, нелінійність амплітудно-частотної характеристики не більш ніж 0,2%, смуга пропускання на рівні (3-2) дБ від 0 до 100 кГц.

Реєстрація сигналу проводилася за допомогою запам'ятовуючих осцилографів та магнітографа. Для вимірювань прискорень частинок піщаної породи використовувалися перетворювачі типу АВС – 015, 016 і 034.

У відповідності до метрологічної атестації, основна відносна похибка вимірювань не перевищувала для напружень – 15,4%, для прискорень – 22,9%.

При проведенні експериментів використовувався режим роботи з зовнішнім запуском: час початку вибухового перетворення заряду синхронізувався з часом розгорток осцилографів. Кількісні характеристики отриманих осцилограм ударних хвиль визначалися за загальноприйнятою методикою. Експериментальні результати оброблялись на персональних ЕОМ.

У третьому розділі викладені результати експериментальних досліджень параметрів хвильових полів у піщаних гірських масивах з різними фізико-механічними властивостями поблизу денної поверхні при вибухах зосереджених зарядів з амоніту N6 ЖВ і гексогену. Для вивчення поведінки ґрунтів під дією вибухових навантажень розглядалися одночасно нестаціонарні поля напружень і швидкостей частинок середовища. Основні параметри вибухової хвилі оцінювалися відносно часових залежностей напружень і прискорень. Показано, що як часові, так і кінематичні характеристики при вибухах поблизу вільної поверхні істотно залежать від вологості досліджуваного масиву. При збільшенні вологості ґрунту значно знижується тривалість дії ударної хвилі, збільшується швидкість її поширення і швидкість зміщення частинок. Зміна цих параметрів підтверджена кількісно. Тривалість дії ударної хвилі так само залежить від глибини вибуху, а саме, зі збільшенням глибини закладання заряду для фіксованих точок тривалість дії вибухової хвилі зростає, прямуючи до деякого сталого значення. Показано, що при віддаленні від заряду швидкість поширення вибухової хвилі знижується наближаючись за значенням до швидкості звуку для досліджуваного середовища. Шляхом інтегрування часових залежностей прискорень досліджений характер руху часток ґрунту на фронті ударної хвилі.

В результаті дослідження напружень в піщаних масивах встановлено, що максимальниі їх значення при вибуху зосереджених зарядів на глибинах менших ніж 2 (м), де Q – маса заряду (кг), задовільно описуються степеневими функціями залежними від вологості масиву, і від глибини закладання заряду. Зі збільшенням глибини вибуху максимальні значення напружень зростають, асимптотично наближаючись до фіксованих значень, що відповідають камуфлетному вибуху (рис.2)

Для піщаних порід з різними фізико-механічними властивостями і для змінної глибини закладання заряду побудовані кількісні залежності напружень від приведеної відстані до заряду, які в першому наближенні можна привести до вигляду, що відповідає принципу подібності

, | (1)

де Q - маса заряду, R - відстань від центра вибуху, kі і -коефіцієнти, що залежать від властивостей середовища та глибини закладання заряду.

Для різних типів піщаних гірських масивів визначені значення kі і . В результаті аналізу коефіцієнтів kі і отримані узагальнені формули

для | (2)

для | (3)

для , | (4)

чи в більш загальному вигляді

, | (5)

де f1(W), f2(W) і f3(W) визначаються відповідно з наступних виразів: f1(W)=0,62W+0,095; f2(W)=0,14W+0,274; f3(W)=5,0W–0,29. У формулах W змінюється в %.

Дослідження тангенціальних і зсувних компонентів , показало, що поблизу вільної поверхні завжди справедлива нерівність напружень > >. В міру заглиблення заряду наближається до . Отримані формули з достатньою для інженерних розрахунків точністю відображають розподіл полів напружень при вибухах зосереджених зарядів у приповерхній зоні піщаних ґрунтових масивів при зміні вологості ґрунту до 50%.

Процес деформування ґрунтового масиву при підриванні поблизу вільної поверхні, кількісно оцінений діаграмами об'ємного стиснення, а також оцінена частка енергії, що йде на деформування ґрунтового масиву. В залежності від фізико-механічних властивостей досліджуваного середовища при однакових напруженнях деформації можуть істотно відрізнятися між собою, причому ця різниця найбільш помітна в ближній зоні.

Проведені розрахунки імпульсу ударної хвилі і визначена його залежність як від глибини вибуху, так і від властивостей середовища. Залежність імпульсу від приведеної відстані до заряду представлено у вигляді

, МПаc. | (6)

Дослідження впливу глибини закладання заряду на механічний ефект вибуху показало, що залежності відносних діаметрів і глибини воронки від глибини закладання заряду мають максимуми, що зміщені один відносно іншого: глибина воронки викиду ще зростає до максимуму, у той час як діаметр воронки викиду починає зменшуватися.

У хвильових полях, що виникають при одночасному підриванні групи однакових зарядів, приведена відстань між якими більша ніж R0min= 1,1, максимальні напруження в породному півпросторі не перевищують максимальні напруження одного зосередженого заряду, при цьому збільшується імпульс ударної хвилі

У розділі наведені результати дослідження хвильових полів, що виникають у гірській породі й у воді при вибухах зарядів на границі розділу дно-вода. Приведена хвильова картина, а також побудовані залежності максимальних напружень від відстані до заряду, що досліджені в ґрунті й у воді. Показано, що поле тисків у цьому випадку характеризується значною анізотропією. Максимальні тиски на фронті ударної хвилі у воді і ґрунті найвищі в точках на осі заряду, перпендикулярній до границі розділу, й убувають з наближенням досліджуваних точок до границі розділу середовищ.

Четвертий розділ присвячений дослідженню взаємодії вибухових хвиль з підземними металевими будівельними конструкціями. П’єзодатчики встановлювалися у гірській породі поблизу підземного циліндра: 1) у лобовій точці, що визначалася точкою перетину з об’єктом лінії, яка проходить через центр заряду і перпендикулярної до його осі ( =0); 2) наступних трьох точках навколо об’єкту досліджень з кроком від лобової точки ( =, і ); 3) у вільному півпросторі й у точках, розташованих між зарядом і об’єктом. Кожного разу фіксувалися три компоненти тензора напружень , і . Експериментально отриманий часовий зріз дифракційного процесу на підземній циліндричній перешкоді і побудовані залежності компонентів тензора механічних напружень на її стінках від приведеної відстані до заряду що дало можливість оцінити напружений стан підземного об’єкту при вибуховому навантаженні.

На рис.3 показані схеми навантаження циліндричного об’єкту ударною хвилею в різні моменти часу, а також характерні експериментальні осцилограми, отримані при вибуху зосереджених зарядів, що відображають процес дифракції, на об’єкт дослідження. Найбільші значення напружень зафіксовані у точках =0, а в точках =, і у силу симетрії напруження близькі між собою. Найменші значення напружень отримані в точці =. В результаті експериментальних досліджень отримані залежності максимальних напружень від відстані до заряду в різних точках поблизу споруди і при вільному вибуху.

Доведено, що максимальні значення напружень у лобовій точці до 2,3 разів вищі ніж при вільному вибуху, а значення напружень в інших точках перешкоди не більш ніж при вільному вибуху зосередженого заряду і не менш ніж при вільному вибуху лінійного заряду незалежно від її діаметру і властивостей породного масиву

Аналогічні дослідження проведені і для випадків вибуху лінійно-подовжених зарядів як у вологому ґрунті, так і в ґрунті під водою. В розділі приведені результати розрахунків імпульсу ударної хвилі при її взаємодії з перешкодою. Показана трансформація імпульсу напруження від заряду до досліджуваного об’єкту.

Для визначення внутрішнього стану елементів конструкцій були проведені тензометричні дослідження напружено-деформованого стану елементів підземних об’єктів при взаємодії їх з вибуховою хвилею. Проведено порівняння результатів експериментальних досліджень напруженого стану для відрізків стандартних газових труб діаметрами 0,15 м, 0,33 м і 0,53 м. з теоретичними розрахунками (табл. 3).

Як видно, отримані експериментально деформації на стінках труб різних діаметрів в межах похибки вимірювань узгоджуються з розрахунковими даними, що дає змогу при наявності значень напружень, які діють на підземний циліндричний об’єкт, оцінити деформації на його стінках. При навантаженні підземного об’єкту вибуховою хвилею, довжина якої не перевищує товщину об’єкту, спостерігається значна нерівномірність деформування його стінок.

Нерівномірність навантаження зникає, коли довжина хвилі не менш ніж вдвічі перевищує розміри підземної конструкції.

Результати порівняння експериментальних досліджень та теоретичних розрахунків деформацій підземних металевих циліндрів різних розмірів при дії імпульсного навантаження.

Таблиця 3

Діаметр

труби,

м | Товщи-на стінки,

м | Відстань до труби,

R3, м | Глибина

вибуху,

Н3, м | Маса заряду,

Q, кг | Експеримент | Розрахунок

,

кг/см3

0,15 | 0,008 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 255

0,15 | 0,01 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 250

0,33 | 0,006 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 160

0,33 | 0,01 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 162

0,53 | 0,009 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 150

Важливим у практичному аспекті є дослідження хвильових полів у масиві при розривах підземних трубопроводів, що знаходяться під стандартним тиском. Створення тріщини в стінці трубопроводу здійснювалося тротиловими шашками. Отримані параметри вибухових хвиль, які задовільно описуються емпіричними степеневими залежностями того ж вигляду, що і при вибуху зосередженого заряду:

r =5,0 (y)-2,00; a=6000 (y)-2,4}; v=50 (y)-2,62 (d = 0,53 м ),

r =3,4 (y)-2,01; a=3300 (y)-2,92; v=43 (y)-2,27 (d = 0,325 м ),

де r – радіальні напруження (МПа), a – прискорення (м/с2 ), v – швидкість (м/с).

Дані про розміри осколків, що утворилися, а також координати їхнього розльоту одержані за допомогою теодоліта. Результати досліджень показали. що на навколишнє середовище більше впливає механічна дія вибуху, ніж хвильові поля в ґрунтовому просторі.

У п?ятому розділі обгрунтовані способи оцінки безпечних відстаней проведення вибухових робіт поблизу підземних об’єктів. Зокрема показано, що з достатньою для інженерних розрахунків точністю безпечні відстані до циліндричного об’єкту, розташованого в приповерхневій зоні піщаних гірських масивів можна визначити по формулі |

(7)

де й емпіричні коефіцієнти, що залежать від типу ВР, фізико-механічних властивостей середовища і глибини закладання заряду (для піщаних порід визначаються за результатами, приведеними у третьому розділі роботи), - динамічний коефіцієнт, - величини критичних напружень. З урахуванням результатів, отриманих у розділі 3, формула для визначення безпечних відстаней у більш загальному вигляді набуде вигляду |

(8)

На даний час відсутні експериментальні дані щодо параметрів критичних напружень чи тисків на підземні циліндричні конструкції, що знаходяться під дією вибухових хвиль. Для отримання таких даних прийнятий наступний підхід. При підриванні великих об’ємів вибухових речовин імпульс тиску, що діє на об’єкт має значну тривалість (особливо при використанні короткосповільненого підривання), величина якого вже на відстані 12–15 радіусів заряду досягає декількох десятків милісекунд. Відомо, що рівняння, що не враховують хвильові процеси з товщини, застосовують, коли тривалість імпульсу тиску приблизно втричі перевищує час пробігу пружної хвилі з товщини об'єкта, а характерний розмір області його прикладання перевищує дві товщини. З огляду на сказане, проведена оцінка допустимих навантажень на підземні циліндричні споруди на основі порівняння еквівалентних напружень з напруженнями граничного стану, яким відповідає перехід до течії матеріалу.

В розділі приведені розрахунки безпечних відстаней при проектуванні БВР із спорудження росолосховищ поблизу росолопроводу. Роботи із спорудження росолосховищ проводились на комбінаті “Нєман”. Гірська порода в районі будівництва представлена піском з щільністю 1,5Н/м3. В результаті проведених розрахунків отримані параметри бурових робіт: глибина шпурів – 4 - 6м; перебур шпурів – 0,5 м; діаметр шпурів – 0,23 м; вибухова речовина – ігданіт; питома витрата ВР – 1,2 - 1,3 кг/м3. Вибухи проводились за трирядною схемою, відстань між рядами – 10 - 11,5м, між шпурами в ряді 7 - 12м. Загальна кількість зарядів – 78 (на спорудження одного котловану). Крайні ряди підривались одночасно, а центральний ряд із сповільненням 120 мкс відносно до крайніх рядів з використанням піротехнічного сповільнювача КЗДШ-69.

В результаті вибухових робіт була проведена виїмка 140 тис. м3 піщаного грунту і споруджені чотири котловани під росолосховища з забезпеченням збереження розташованого поблизу трубопроводу.

Економічний ефект від впровадження виконаних робіт склав 70,4 тис. грн., при цьому витрати на один кубічний метр виїмки грунту зменшився на 0,49 грн., а час будівництва котлованів знизився в 10 разів в порівнянні з використанням машинної технології виїмки порід.

Загальні висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі експериментальних досліджень закономірностей хвильових процесів в приповерхневій зоні піщаних гірських масивів при вибуху зосереджених зарядів та дії імпульсних навантажень на підземні споруди вирішена важлива задача обґрунтування методики визначення раціональних параметрів проведення вибухових робіт, що підвищують ефективність використання енергії вибуху та збереження підземних споруд.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному.

1. Встановлені основні закономірності процесу вибуху зосереджених зарядів вибухових речовин на глибинах менших ніж 2 (м), де Q – маса заряду (кг). Зміна максимальних нормальних напружень у пісках при поширенні сферичної ударної хвилі від відносної відстані і глибини закладання заряду задовільно описується експоненціальними функціями залежними від фізико-механічних властивостей масиву, і від глибини закладання заряду. Підтверджене виконання принципу геометричної подібності для вибухів на фіксованих глибинах. Вперше отримана узагальнена формула для визначення максимальних нормальних напружень на різних віддаленнях від заряду в пісках різної вологості і при змінній глибині закладання заряду.

2. Досліджена хвильова картина при вибуху накладних зарядів на границі розділу дно-вода. Накладний заряд створює в рідині і ґрунті поле тисків, що характеризується значною анізотропією. Максимальні тиски на фронті ударної хвилі найвищі в точках на осі заряду перпендикулярної до границі розділу й убувають по мірі наближення до границі розділу середовищ.

3. Визначений характер впливу глибини закладення заряду на діаметр і глибину воронки. Видимі діаметр та глибина воронки викиду при зміні глибини вибуху мають максимуми, що зміщені один відносно іншого. Глибина воронки викиду ще зростає до максимуму, у той час як діаметр воронки починає зменшуватися.

4. Експериментально досліджено поле напружень при підриванні групових зарядів. При одночасному підриванні групи однакових зарядів, розташованих на одній лінії на відстанях більших ніж , максимальні напруження, що виникають в породному півпросторі не перевищують максимальні напруження одного зосередженого заряду, при цьому лише змінюється імпульс ударної хвилі.

5. Вперше експериментально отриманий часовий зріз дифракційного процесу на підземній циліндричній перешкоді, що дало можливість оцінити максимальні напруження на стінках підземних конструкцій поблизу вибуху. Доведено, що максимальні значення компонентів тензора напружень у лобовій точці циліндричної конструкції не більш ніж у 2,3 рази вище чим при вільному вибуху, а значення напружень в інших точках перешкоди не більш ніж при вільному вибуху зосередженого заряду і не менш ніж при вільному вибуху лінійного заряду.

6. Встановлено, що зміна максимальних напружень у ґрунтах при вибуху трубопроводу описується степеневими залежностями такого ж виду, що і при вибуху зосередженого заряду.

7. На підставі отриманих експериментальних даних запропонована методика розрахунку раціональних параметрів проведення вибухових робіт спеціального призначення з їх збереженням при максимальному використанні енергії вибуху. Впровадження методики дало реальний економічний ефект 70,4 тис. грн.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

В опублікованих роботах, згідно представленого списку, особисто дисертантом виконано наступне:

2 – експериментально отримано хвильову картину при підриванні зосереджених зарядів на границі розділу двох середовищ, проведено її аналіз; 3– отримані експериментальні залежності напружень на поверхні відрізка трубопроводу в залежності від приведеної відстані до заряду; 4 – проведені експериментальні дослідження напружень в водонасиченому ґрунті при підводному контактному вибуху; 5 – проведені експериментальні дослідження, запропонована узагальнена залежність напружень на поверхні відрізка трубопроводу від приведеної відстані до заряду; 6 – експериментально отримано параметри хвильових полів, що виникають в ґрунті при вибуху трубопроводу, проведено їх аналіз; 7 – отримано експериментальні залежності напружень на поверхні трубопроводу від приведеної відстані до заряду для зосередженого та лінійно-подовженого заряду, розраховано імпульс ударної хвилі; 8 – виконані експериментальні дослідження та аналіз результатів; 9 – запропоновані методи оцінки безпечних відстаней при вибухах поблизу підземних трубопроводів; 10 – постановка експериментальних досліджень та аналіз результатів досліджень; 11 – розроблено методику експериментальних досліджень параметрів ударних хвиль в пористому середовищі, проведено дослідження та проаналізовано експериментальні результати; 12 – проведено літературний огляд методів керування вибухом при проведенні вибухових робіт в гірських масивах.

Анотація

Поляковський В.О. “Обґрунтування раціональних параметрів вибухових хвиль у піщаних гірських породах поблизу підземних споруд”.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена обґрунтуванню раціональних параметрів вибуху в піщаних гірських масивах, для ефективного і безпечного проведення вибухових робіт поблизу підземних споруд. В роботі пропонується новий підхід, оснований на визначенні параметрів проведення вибухових робіт із збереженням підземних споруд на основі експериментального дослідження закономірностей поширення вибухових хвиль та їх взаємодії з підземними конструкціями.

В дисертації представлені результати експериментального дослідження закономірностей утворення хвильових полів у приповерхній зоні піщаного масиву на підставі яких вперше отримана узагальнена залежність максимальних напружень від приведеної глибини закладання заряду і вологості ґрунту.

Вивчені особливості взаємодії вибухових хвиль з підземними циліндричними металевими конструкціями. Вперше експериментально досліджено дифракційний процес на підземній циліндричній перешкоді, що дало можливість оцінити максимальні напруження на стінках підземних конструкцій поблизу вибуху.

На основі отриманих результатів запропоновано методику оцінки раціональних параметрів вибухових робіт зі збереженням підземних циліндричних конструкцій. Економічний ефект від впровадження рекомендацій склав 70,4 тис. грн.

Ключові слова: піщані гірські породи, заряди вибухових речовин, хвильові поля, підземні споруди, параметри вибухових робіт.

Аннотация

Поляковский В.А. “Обоснование рациональных параметров взрывных волн в песчаных горных породах вблизи подземных сооружений”.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. Национальный горный университет Украины Министерства просвещения и науки Украины, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена обоснованию рациональных параметров взрыва в песчаных горных массивах, для эффективного и безопасного проведения взрывных работ вблизи подземных сооружений. В работе предлагается новый подход, основанный на определении параметров проведения взрывных работ на основании экспериментального исследования закономерностей распространения взрывных волн и их взаимодействия с подземными конструкциями.

В диссертации показаны результаты экспериментальных исследований закономерностей образования волновых полей вблизи поверхности песчаного массива, на основе которых впервые получена обобщенная зависимость максимальных напряжений от глубины заложения заряда и влажности грунта

Исследована волновая картина при взрывах накладных зарядов на границе раздела дно-вода. Показано, что накладной заряд образует в жидкости и грунте поле давлений , которое характеризуется значительной анизотропией.

Экспериментально доказано, что в поле напряжений при одновременном подрыве группы одинаковых зарядов, расположенных на одной линии на расстояниях больше чем , максимальные напряжения в породном полупространстве не превышают максимального напряжения одного сосредоточенного заряда, при этом изменяется лишь импульс ударной волны.

Изучены особенности взаимодействия взрывных волн с подземными цилиндрическими конструкциями. Впервые экспериментально получен временной срез дифракционного процесса на подземной цилиндрической преграде, что позволило оценить максимальные напряжения на стенках подземных конструкций вблизи взрыва. Доказано, что максимальные значения напряжений в лобовой точке цилиндрической преграды не более чем в 2,3 раза выше чем при свободном взрыве.

Исследованы волновые поля при взрыве трубопровода, которые удовлетворительно можно описать степенными зависимостями. Оценка параметров разлета осколков показали, что на окружающую среду оказывает большее влияние механическое действие взрыва, чем волновые поля в грунтовом пространстве.

Основные результаты работы нашли методическое внедрение при строительстве котлованов на комбинате “Неман”. Экономический эффект от внедрения составил 70,4 тыс. грн., при этом затраты на один кубометр выемки грунта уменьшился на 0,49 грн., а время строительства сократилось в 10 раз по сравнению с использованием машинной технологии.

Ключевые слова: песчаные горные породы, заряды взрывчатого вещества, волновые поля, подземные сооружения, параметры взрывных работ.

ABSTRACT

Polyakovsky V. “Substantiation of rational parameters of explosive waves in the sand mining rocks near the underground constructions”.– Manuscript.

Thesis for candidate’s degree in technical sciences in speciality 05.15.11 – “Physical processes of mining production”. National mining university of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2006.

The thesis is dedicated to substantiation of rational parameters of explosive in the sand mining rocks, for the secure carrying out of explosive works near the underground constructions. The new approach based on definition of parameters of secure carrying out of explosive works on the basis of an experimental research of laws of distribution of explosive waves and their interaction with underground structures is offered.

The results of experimental researches of laws of formation of wave fields near a surface of the sandy massif are shown on the basis of which generalized dependence of the maximal pressure on depth of explosion and humidity of a ground for the first time is received

The features of interaction of explosive waves with underground cylindrical designs are investigated.

The results of experimental researches of laws of formation of wave fields near a surface of the sandy massif are shown on the basis of which generalized dependence of the maximal pressure on depth of explosion and humidity of a ground for the first time is received

The features of interaction of explosive waves with underground cylindrical designs are investigated. For the first time is experimentally investigated a diffraction process on a underground cylindrical barrier, that has allowed to estimate the maximal pressure on suffers of underground structures near explosion

Based on the results of investigation, a new methodic of secure carrying out of explosive works near the underground constructions was proposed.

Economic effect from introducing recommendations has formed 70,4 thousand grn.

Keywords: sand mining rocks, explosive charges, wave fields, underground constructions, secure explosive works.

Поляковський Володимир Олександрович

Обґрунтування раціональних параметрів вибухових хвиль у піщаних гірських породах поблизу підземних