УДК 622.235.62.

ГОРНОЕ ДЕЛО

К.т.н. Романов В.И., Романов Е.В., Романов С.В.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГОРНОГО МАССИВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ

ПРИКОНТУРНЫХ ЛЕНТ

Изучение состояния массива от действия взрыва на карьерах является одним из важных элементов исследования механизма деформирования в приконтурной зоне с сохранением его устойчивости на проектном контуре.

При отработке приконтурных лент картину разрушения горного массива взрыванием удлиненных зарядов можно представить следующим образом.

При взрывании зарядов, расположенных вблизи обнаженной плоскости, образуется поле напряжений, которое приводит к разрушению и отрыву слоя породы от основного массива с перемещением в сторону обнаженной поверхности. В первоначальный период вокруг зарядов образуется зона пластических деформаций, величина которых зависит от диаметра зарядов, глубины его заложения, свойств породы, ВВ. За зоной пластических деформаций от зарядов распространяются волны напряжений, при схождении которых происходит интерференция. При дальнейшем распространении волны сжатия достигают обнаженной поверхности, отражаются от неё и распространяются в сторону зарядов в виде растяжения.

В работах [1,2] показано, что между напряжениями, возникающими при взрыве вокруг зарядов и деформациями горного массива существует однозначная связь. Следовательно, для изучения характера деформирования горного массива необходимо знать их напряженное состояние.

Для обеспечения устойчивости стационарных уступов большое значение

приобретает совершенствование и выбор рациональных параметров буровзрывных работ в приконтурной зоне обеспечивающее качественное дробление и минимальное разрушение горного массива за проектным контуром карьера.

Практика взрывной отбойки скальных пород на многих карьерах показывает, что для достижения высокой эффективности разрушения горной массы с обеспечением устойчивости откосов долгостоящих уступов, возможно лишь при правильном расположении зарядов в массиве.

Рассмотрим плоско напряженное состояние изотропного массива уступа от действия двух скважинных зарядов диаметрами 0,15-0,25 м с расстоянием между ними 5-8 м и расположением от плоскости откоса уступа до 9 м.

Искомое поле напряжений получается суперпозицией напряженных состояний: плоскости, ослабленной группой напряженных круговых отверстий, имитирующих скважины, плоскости нагруженной набором сосредоточенных сил N и T, имитирующих поверхность откоса (рис.1).

Рисунок 1.Схема к определению напряжений от действия взрыва в

приконтурной зоне.

Напряженное состояние массива получается, используя решения [3,4].

(1)

,

где μ – коэффициент Пуассона;

φ, r – текущие полярные координаты.

Используя теорию упругости [5], подсчитываем значения главных нормальных напряжений (изолиний) и параметры изостат, характеризующие угол наклона главных площадок для рассматриваемых точек по формулам:

(2)

При взрыве зарядов горный массив подвергается действию сжимающих и растягивающих напряжений, где основным разрушающим фактором являются растягивающие напряжения (рис.2).

Рисунок 2. Распределение растягивающих напряжений в изолиниях (1)

и взрывных трещин в изостатах (2), при одновременном взрывании

двух отбойных зарядов

На рисунке 2 показано распределение приведенных растягивающих напряжений в изолиниях и взрывных трещин в изостатах в массиве уступа по сечению, перпендикулярному осям двух цилиндрических зарядов с расстоянием между зарядами, а=7м и л.н.с.8м. Для определения напряжений необходимо было выполнить большое количество математических операций с помощью вычислительной техники. Значения дают возможность оценить напряженное состояние массива и определить границы зоны возможного разрушения.

Приведенная прочность пород на растяжение определяется отношением

прочности пород на растяжение , полученная лабораторным способом,

к величине давления ВВ на стенки скважин Р. Например, при = 16 МПа для туфов и , где - платность заряжания, г/ см³; ω – скорость детонации, м/ сек; 0,0016. При выявлении естественной тре-щиноватости горного массива необходимо в приведенную прочность вводить соответствующий коэффициент трещиноватости .

Величина напряжений уменьшается приближаясь к поверхности откоса, образуя волну пониженных напряжений (рис. 2). Под действием растягивающих напряжений происходит разрушение массива, т. к. сопротивляемость пород сжатию больше, чем растяжению. При нарушении сплошности массива образуется сеть трещин, которая на рисунке 2 изображена в изостатах. Они неравномерно распределены в области между линиями зарядов и плоскостью откоса.

Процесс разрушения горного массива при взрывных работах характеризуется переменными параметрами поля напряжений. В напряжениях. перпендикулярных линии скважин при пересечении лучей, проведенных из центров

зарядов под прямыми углами друг другу, образуются изотропные области-области пониженных напряжений (см. рис. 2 заштрихованный участок).

Согласно вышеприведенных расчетов (рис.3) построена зависимость изменения зоны пониженных напряжений от л.н с. и расстояния между скважинами. При построении графика по оси ординат рассматривалось отношение площади изотропной зоны (S) к площади разрушения (S), а по оси абсцисс - л. н.с.

Рисунок 3. Изменение зоны пониженных напряжений в отбиваемом

массиве от л.н.с. при расстоянии между скважинами:

1- 5м; 2 -6м; 3 -7м; 4 -8м.

Из графика видно, что независимо от расстояния между скважинами с

изменением л. н. от 3 до 5м дробление пород происходит равномерно. С увеличением л.н.с. происходит резкое снижение интенсивности дробления. Особенно это наблюдается при расстоянии между скважинами 6 – 8 м. При увеличении л.н.с. до 8 м с расстоянием между скважинами 5 – 6 м площадь пониженных напряжений резко возрастает. С увеличением расстояний между скважинами 7 – 8 м происходит снижение интенсивности роста зоны пониженных напряжений, тем самым обеспечивается более качественное дробление массива.

При взрыве скважинных зарядов интерференция волн напряжений в горном массиве приводит к образованию неоднородного поля напряжений, что отрицательно сказывается на равномерность дробления пород, то есть на качество взрыва. Неравномерность дробления массива обусловлено появлением областей пониженных напряжений вблизи откоса уступа и неравномерного распределения трещин, образуемых при взрыве.

Наилучшее дробление массива наблюдается при ориентировке приведенных растягивающих напряжений в сторону поверхности обнажения и перпендикулярно к взрывным трещинам. В этом случае препятствий зон деформаций нет, в массиве интенсивно идет образование новых и раскрытие естественных трещин.

Литература:

1. Кольский Г.Н. Волны напряжений в твердых телах. М, издательство иностранной литературы,1955.

2.Ханукаев А.Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. М, Недра, 1974.

3. Савин Г.М. Распределение напряжений около отверстий. Киев, Наумова думка, 1968.

4. Мусхелишвили Н.П. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М, Недра, 1966.

5. Тимошенко С.П., Дж. Гульер. Теория упругости. М, Наука, 1979.