Метод расчета диссипации энергии и ее влияние на максимальные параметры волн напряжения и грансостав разрушенной гранитной горной массы

Афанасьев, Павел Игоревич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Метод расчета диссипации энергии и ее влияние на максимальные параметры волн напряжения и грансостав разрушенной гранитной горной массы
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Метод расчета диссипации энергии и ее влияние на максимальные параметры волн напряжения и грансостав разрушенной гранитной горной массы"

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Павел Игоревич

МЕТОД РАСЧЕТА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА МАКСИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЯ И ГРАНСОСТАВ РАЗРУШЕННОЙ ГРАНИТНОЙ ГОРНОЙ МАССЫ

Специальность 25.00.20 -Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0

¿.ьи

005017534

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, ведущий научный сотрудник

кандидат технических наук, ЗАО «Северсталь-ресурс», специалист

Ведущая организация - Горный институт КНЦ РАН.

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 17 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (1^и$1Е1@ yandex.ru), ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.

Менжулин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

Казаков Николай Николаевич

Семеняк Светлана Юрьевна

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

БОГУСЛАВСКИЙ Э.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время на карьерах Ленинградской области по добыче строительного камня выход фракций от 0 до 5 мм составляет около 30 %. Наличие отсева приводит к уменьшению выхода кондиционных фракций, повышению запыленности на рабочих местах и ухудшению экологической обстановки вблизи карьеров.

На карьерах применяются скважины диаметром 130-190 мм, что способствует уменьшению выхода фракций от 0 до 5 мм, однако при этом используются бризантные взрывчатые вещества, скорость детонации которых находится в пределах от 4500 до 5500 м/с, что приводит к увеличению выхода данной фракции. Для расчета параметров БВР применяют эмпирические соотношения, не учитывающие детонационные характеристики ВВ. Для перехода к другим условиям взрывных работ используют различные эмпирические коэффициенты. Эти коэффициенты изменяются в широком диапазоне, что вызывает определенные трудности при выборе определенного значения.

Задачами снижения выхода мелких фракций и определения параметров БВР занимались многие ученые: В.В. Адушкин, В.А. Артемов, В.А. Боровиков, И.Ф. Ванягин, С.Д. Викторов, Ю.И. Виноградов, М.Ф. Друкованный, Э.И. Ефремов, H.H. Казаков, Б.Н. Кутузов, Н.В. Мельников, М.Г. Менжулин, Э.О. Миндели, В.Н. Мосинец, В.А. Падуков, Г.П. Парамонов, В.Н. Родионов, И.А. Сизов, A.A. Спивак, C.B. Цирель, Е.И. Шемякин и другие.

Параметры детонационных волн, условия преломления в горную породу, напряженное состояние на границе взрывной камеры, являются приближенными и нуждаются в уточнении с учетом детонационных параметров ВВ и ударных адиабат скальных горных пород. В настоящее время отсутствуют данные по параметрам волн напряжения в зоне до четырех радиусов заряда, а также не определена связь между параметрами грансостава и диссипацией энергии.

Необходимо провести дополнительные исследования для определения грансостава разрушенной горной массы, учитывающие

диссипацию энергии, с целью разработки соответствующих рекомендаций, которые позволят снизить выход мелких фракций, а также выбрать тип применяемого взрывчатого вещества и параметры сетки скважин.

Цель диссертационной работы Снижение выхода мелких фракций за счет использования метода, определяющего связь между диссипацией энергии, параметрами волн напряжения и распределением грансостава на различных расстояниях от заряда.

Основные задачи работы:

1. Получение зависимости между давлением продуктов детонации, скоростью детонации, показателем политропы, величиной коволюма для ВВ с различными детонационными характеристиками.

2. Получение расчетных данных и аппроксимирующей зависимости для определения напряжения на стенке взрывной полости на основе теории распада произвольного разрыва.

3. Получение зависимостей максимальных параметров волны напряжений от относительного расстояния с учетом диссипации энергии.

4. Получение значений диссипации энергии для различных типов ВВ в гранитной горной породе.

5. Определение скорости объемной волны для статической адиабаты разгрузки в зависимости от вновь созданных дефектов среды.

6. Определить расстояние между скважинами с учетом детонационных характеристик ВВ, физико-механических свойств горной породы и наведенной трещиноватости.

7. Получение зависимости для расчета среднего размера куска разрушенной горной массы на каждом расстоянии от сква-жинного заряда на основе данных о диссипации энергии. Идея работы

Параметры гранулометрического состава при взрыве различных типов ВВ следует определять на основе оценки максимальных параметров волны напряжения и диссипации энергии, полученных на различных расстояниях от заряда.

Научная новизна работы

1. Установлено, что для определения максимальных параметров волны напряжения на различных расстояниях от заряда необходимо рассчитывать давление на стенке взрывной полости и диссипацию энергии с учетом наведенной трещино-ватости в горной породе.

2. Получена аналитическая зависимость между диссипацией энергии и средним размером куска разрушенной горной массы на различных расстояниях от скважинного заряда. Защищаемые научные положения:

1. Напряжение в горной породе на стенке взрывной полости следует рассчитывать на основе теории распада произвольного разрыва, с учетом полученного уравнение состояния для продуктов детонации и ударной адиабаты горной породы.

2. Для расчета максимальных параметров волны напряжения на различных расстояниях от заряда необходимо учитывать диссипацию энергии при изменении наведенной трещинова-тости в процессе распространении волны напряжения.

3. Средние размеры кусков разрушенной горной массы на различных расстояниях от скважинного заряда определяются величинами диссипации энергии.

Методы исследований

Обобщение и анализ применяемых технологий взрывного разрушения горных пород. Обобщение теоретических исследований определения параметров газообразных продуктов детонации ВВ и параметров волны напряжения на стенке взрывной камеры. Моделирование на ЭВМ распространение волн напряжения при взрыве различных типов ВВ, параметров волны напряжения на стенке взрывной камеры, расчет диссипации энергии и оценка размеров кусков разрушенной горной массы. Проверка полученных результатов экспериментальными данными.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод расчета параметров БВР с учетом детонационных характеристик применяемых на карьере ВВ.

2. Разработана рекомендация по выбору типов применяемых ВВ, основанная на условии уменьшения потерь энергии в

ближней зоне взрыва и одновременно обеспечивающая снижение выхода мелких фракций.

Реализация результатов работы

Разработаны рекомендации по выбору параметров БВР на карьере ЗАО «Гавриловское карьероуправление».

Результаты исследований планируется использовать в учебном процессе при проведении практических занятий на кафедре взрывного дела.

Достоверность научных положений и выводов

Результаты работы базируются на большом объеме проанализированных исследований о формировании волн напряжения. Выполнены теоретические исследования по определению: детонационных параметров продуктов взрыва, напряжений, возникающих на стенке взрывной полости, параметров волн напряжений при распространении ударных волн, наведенной трещиноватости и среднего размера куска разрушенной горной массы на каждом расстоянии от скважинного заряда. Диссертация основана на использовании положений газодинамики, термодинамики, механики взрыва и полученных экспериментальных данных.

Личный вклад автора

Заключается в сборе и анализе ранее полученных данных, в постановке цели и задач исследования, в проведении теоретических исследований, обработке полученных данных на ЭВМ при проведении расчетов, обобщении и анализе полученных результатов, сравнение полученных данных экспериментальными данными, разработке практических рекомендаций.

Апробация работы

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на симпозиуме «Неделя горняка-2010» (МГГУ, Москва), на круглом столе «Взрывные и безвзрывные способы разрушения скальных горных пород на карьерах» (МГГУ, Москва, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Каменные строительные материалы России: проблемы, решения» (Институт геологии Карельского НЦ РАН, Петрозаводск, 2010), на ежегодных научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» 2009-2010гг. (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург), заседаниях кафедры

безопасности производств и разрушения горных пород, кафедры взрывного дела и НТСА СПГГУ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 5 таблицы и список литературы из 100 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору М.Г. Менжулину, развитие идей которого, помощь и поддержка способствовали успешному выполнению работы, а также признательность сотрудникам кафедры взрывного дела СПГГУ, сотруднику научного центра геомеханики и проблем горного производства к.т.н. В.А. Коршунову, к.т.н. A.B. Трофимову за практические советы при написании диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы.

В первой главе диссертации представлен обзор и анализ современного состояния расчета параметров БВР, волн напряжения, гранулометрического состава разрушенной горной массы. Сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе_получено уравнение состояния для конденсированных взрывчатых веществ на основании теории Зельдовича -Неймана - Деринга с учетом коволюма, получены зависимости на основе теории распада произвольного разрыва с учетом коволюма. Получена зависимость для определения напряжения на стенке полости для горной породы (гранит). Выполнено сравнение экспериментальных результатов с расчетными значениями.

В третьей главе приведена разработанная методика определения диссипации энергии. Получена полуэмпирическая зависимость для определения скорости распространения волны разгрузки от наличия вновь созданных дефектов среды волной напряжения. Обоснована модель фазовых переходов на поверхностях трещин.

Выполнено сравнение экспериментальных результатов с расчетными значениями.

В четвертой главе представлены расчеты по определению среднего размера куска разрушенной горной массы на каждом расстоянии от скважинного заряда и сравнение с экспериментальными данными. Даны рекомендации по уменьшению выхода мелких фракций разрушенной взрывом горной массы для условий гранитного карьера ЗАО «Гавриловское карьероуправление».

В заключении приводятся основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При решении задач, связанных с распространением волн напряжения от заряда взрывчатого вещества, необходимо знать параметры продуктов детонации ВВ, так как продукты детонации взаимодействуют со стенкой взрывной камеры и создают напряжение в горной породе.

Основными термодинамическими характеристиками ВВ являются удельный объем, температура и давление продуктов детонации, которые связаны общим уравнением состояния. Для идеальных газов - это уравнение Менделеева - Клайперона, для расчета конденсированных ВВ используют уравнения Абеля, Абеля - Нобеля. Для реальных газов данными уравнениями можно пользоваться при небольших давлениях, не превышающих 10б Па. Для расчета параметров состояния продуктов детонации конденсированных ВВ при более высоких давлениях необходимо учитывать физический объем молекул. Определить давление продуктов детонации можно следующим уравнением:

Рд=(\-арвв), £ВвВЛ.у О)

где рвв - плотность ВВ, кг/м3; Б - скорость детонации, м/с;

коволюм, м3/кг; а0 - константа, у - показатель политропы.

В первом приближении коволюм есть функция только удельного объема (данное приближение пригодно для большинства практических задач):

а = а0уд, (2)

где уд - удельный объем продуктов детонации. Можно определить показатель политропы, решая уравнение, предложенное Ландау и Станюковичем:

В2 =[2(Г2-1)-4Л(Г + Ф + НРо), (3)

где

А =

( 1

Ь{р0) =

2 Л

др ее

Рвв

() - теплота взрыва.

На основании выражения (1) получены результаты, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование ВВ Рд,ГПа 7 Рд, ГПа Г

Эксперимент (Шведов) Расчет

Тэн 18,7 3,4 19,6 3,2

Тротил 12,6 2,8 12,4 3

Аммонит 6 ЖВ 11 3,4 12 3,1

При преломлении детонационной волны в горную породу на границе с зарядом образуется ударная волна. В продуктах детонации возбуждается либо отраженная ударная волна (или волна вторичного сжатия), либо волна разрежения. Характер процессов, возникающих в продуктах детонации при истечении их в произвольную среду, зависит от того, каково отношение давления на фронте детона-

ционной волны к начальному давлению на фронте ударной волны в среде.

В случае, когда в продуктах детонации возникает волна разряжения, скорость частиц после распада разрыва составляет:

{у + ф(1-а0)+арвв]Рд

'щ

и У

1± ' 2 г

(4)

где Рф - давление на фронте ударной волны в среде, Па; Рд - давление на фронте детонационной волны, Па; ид - массовая скорость частиц в точке Чепмена - Жуге, м/с.

Для случая, когда возникает отраженная ударная волна по продуктам детонации, скорость частиц в продуктах детонации после распада разрыва составляет:

и* ="й-.

I <*_*) +<*Рвв] (?р _р) (С)

1РВВ№-«0)ЩГ+1)РФНГ-1)РА[ * дМ)

Полученные результаты параметров волн на границе взрывной полости сравнивались с экспериментальными данными. На рисунке 1 нанесены экспериментальные и расчетные точки и на основании этих данных получена аппроксимирующая зависимость.

-£ = 1,62

^ Рпор Ср Рвв£>

>.0,29

(6)

Из рисунка 1 видно, что предлагаемый метод расчета хорошо согласуется с экспериментальными данными. А также для определения напряжения на стенке взрывной полости можно использовать предлагаемую аппроксимирующую зависимость.

3 2,8 2,6 2.4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1.2 1

Рф/Р*д=1,б2*2Р'29 Ккор=0,93 Кдет=0,85

♦ А

—♦—

▼ ¿г

0 12 3

♦ Экспериментальные данные О Гранипор 90/5 д Гранипор 90/8 А Игданит

4 5 6 1

□ Гранулотол вод

в Гранулотол

* Граммонит 79/21

Рис. 1. Зависимость коэффициента передачи давления от ВВ в горную породу Рф IР^ и отношения импедансов горной породы и ВВ X

2. Для расчета максимальных параметров волны напряжения на различных расстояниях от заряда необходимо учитывать диссипацию энергии при изменении наведенной трещино-ватости в процессе распространении волны напряжения.

Горные породы в естественном состоянии являются многокомпонентными полиминеральными структурами. В естественных условиях среда является неоднородной, содержит большое количество дефектов. К основным дефектам следует отнести поры и трещины. В процессе взрывного нагружения в горной породе возникают дефекты, которые влияют на статическую адиабату разгрузки.

При разгрузки можно использовать эмпирическое уравнение состояния в форме Тэта:

Р = А

г \ Р

-1

(7)

Ро.

где показатель т считается постоянным; коэффициент

С2

Л - Ро^у _ зависит от энтропии; фактически в расчетах его тоже т

всегда считают константой, Cv - скорость распространения волны объемного сжатия, р - плотность породы в нагруженном состоянии, р0 - плотность породы в начальном состоянии.

Скорость распространения волны объемного сжатия при разгрузки будет меняться в зависимости от наведенной трещиноватости среды. С практической точки зрения представление разрушаемой при ударно-волновом нагружении среды в виде сплошной среды, содержащей дефекты (поры, трещины) имеет большое значение для динамического разрушения деформируемого тела.

Зависимость скорости упругих волн от пористости (трещиноватости) среды представлена на диаграмме Б. Вибенги и А. Ман-гунвиджойо, из которой следует аппроксимирующая зависимость:

С = —, (8)

тр

где: Ср - скорость продольной волны, м/с; атр - пористость

(трещиноватость) среды; В, п - эмпирические коэффициенты.

Для анализа развития дефектов при разрушении горных пород в общем случае может быть использована модель фазовых переходов на поверхностях трещин, предложенная проф. М.Г. Менжу-линым.

На основании сравнения формул для долговечности в кинетической теории прочности, термокинетической теории фазовых переходов и приведенной выше зависимости (8) предлагается следующая зависимость для определения скорости распространения возмущений в волне разгрузки:

где а0 - начальная пористость (трещиноватость) среды, II0

- энергия активации разрушения, у - структурный коэффициент,

сг. - текущее напряжение от ударной волны.

Величина атр = а0 ио/(£/„ - у сг>) - имеет физический

смысл наведенной трещиноватости.

На основе предложенной полуэмпирической зависимости (9) были проведены расчеты по определению параметров волн напряжения и диссипации энергии (рис. 2, 3) согласно предложенному методу проф. Менжулина. Для оценки достоверности используемого метода по расчету диссипации энергии решалась обратная задача, из решения которой можно сделать вывод о возможности использования предложенного метода.

Рис. 2. Зависимость радиальной составляющей волны напряжений от относительного расстояния

Е,

0.8

отн (/) •> /О

0.6

0.4

0.2

• 1 1 1 1 1 • 1 1 1

: ______—

« * ., | 1 — ■......г - "V " - — 1 I

У « ----- Гранулотол вед

// /X : : Грашшор

■ - - --» - - - 1 1 у : : " ";'" .........Гранмешгг 79.2! -

а ' и Игдашгг

Ш 3 ' ............. . . 7- - ...к. _ ______

■ «»•А»* • ' Л Л'Т , 1 1 1 1

Гг » • « Т ' 9 ' ' 1 1 1 1 1 »

20 25 30 35 г

Рис. 3. Зависимость относительной диссипации энергии от относительного расстояния для различных взрывчатых веществ

Энергетическую эффективность ВВ можно определить зависимостью (рис. 4) между предельным значением относительной диссипацией энергии и напряжением на стенке взрывной полости.

Еотн пред = -5,4*10" *Рф- + 0,14*Рф -0,19

Еотн пред 5 % 1

КкоР=0,88 Кдет=0,93

РФ, ГПа

2 4 6 8 10

▲ Игданит ♦Граммонит79/21 О Гранулотол

О Гранипор 90/5 □ Гранипор 90/8 • Гранулотол вод

Рис. 4. Зависимость предельного значения относительной диссипации энергии от напряжения на стенке взрывной полости для различных ВВ

Определив динамический предел прочности на отрыв и выполнив условие ар > , можно рассчитать радиус трещинообразования (табл. 2).

Таблица 2

Радиус трещинообразования для различных типов ВВ

Тип ВВ Радиус трещинообразования, м

Гранипор 90/8 3,3-3,5

Игданит 2,1-2,4

Гранулотол вод 3,1-3,3

Граммонит 79/21 2,5-2,7

Гранипор 90/5 3,3-3,5

Гранулотол 2,7-2,9

Рассчитав радиус трещинообразования заряда и совместив с радиусом трещинообразования другого заряда, можно определить необходимое расстояние между скважинами. Таким образом, полученная ЛНС будет учитывать физико-механические свойства горной породы, детонационные характеристики ВВ и наведенную трещиноватость.

Для определения связи между диссипацией энергии и образованием отдельных кусков горной породы необходимо понять, как происходит развитие трещин в зависимости от диссипируемой энергии волны напряжения.

Разрушение горных пород осуществляется в результате накопления трещин и увеличения их размеров. Процесс развития трещин начинается с раскрытия структурных неоднородностей, имеющих единые статистические размеры.

Теоретические и экспериментальные результаты исследований закономерностей трещинообразования, кинетические подходы к прочности твердых тел позволили сформулировать модель развития разрушения гетерогенных сред, в том числе горных пород. Основные положения теории, предложенной С.Н. Журковым и B.C. Кук-сенко, состоят в следующем: из-за структурной неоднородности материала возникает неравномерное распределение приложенной внешней нагрузки. В результате появляются области, вероятность разрушения которых выше средней для всего тела. Данная стадия процесса разрушения заключается во множественном накоплении невзаимодействующих трещин, размеры которых определяются размером структурной неоднородности. При достижении трещинами пороговой концентрации в некоторой области между ними возникает взаимодействие, что приводит к развитию трещинообразования. Такая область является очагом разрушения. Дальнейшее накопление трещин создает условия, при которых очаг разрушения теряет устойчивость и образуется трещина, соответствующая следующему размеру гетерогенности.

Предлагается величину пороговой концентрации определять из соотношения:

где Lcp - длина трещины, к - концентрационный критерий прочности.

Энергию, затрачиваемую на образование поверхности, можно представить в виде:

£i=nL)ynoeNep п/{4), (11)

где Ll - размер i-й отдельности, упов - поверхностная энергия, которая меняется от вида напряжения в горной породе, N -число граней.

Интегральная функция распределения записывается в виде:

где £ - энергия, затрачиваемая на образование куска, £0

средняя энергия, затрачиваемая на образование куска.

Отсюда энергия, затрачиваемая на образование кусков:

Е = ]е,

-(г,/¿'о)

йе

(13)

Приравняем данную энергию (13) к величине диссипации энергии, получаемой на каждом относительном радиусе заряда, определяемый средний размер отдельности примет вид:

^диС!

' ЛГ V

2кг Ь .

V сп> у

с ( у Г (т 2 Л \

1-е 1+ •Чпах

1 ■

V V е/" /

(14)

где Ьш - длина трещины, являющаяся верхним пределом

интегрирования.

Проверка возможности использования уравнения (14) производилась на основе сравнения расчетных данных и экспериментальных результатов взрыва в канифоли, выполненного И.А. Сизовым, В.М. Цветковым (рис. 5), а затем проводился расчет для гранитной горной породы (рис. 6).

Из расчетов (рис. 6) видно, что ВВ, обладающее низкими детонационными характеристиками, имеют меньший выход мелких фракций. Поэтому с целью более эффективного использования энергии взрыва и уменьшения выхода отсева целесообразно применять низкобризантные ВВ, позволяющие увеличить выход кондиционных фракций.

хЮ4

Рис. 5. Зависимость среднего размера куска от относительного расстояния

в канифоли

Рис. 6. Кумулятивные кривые гранулометрического состава горной массы для разных ВВ в граните

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной для горно-добывающих предприятий задачи - снижение выхода мелких фракций, а также обоснование выбора взрывчатых веществ, сетки скважин с учетом физико-механических свойств гранитной горной породы и детонационных характеристик взрывчатых веществ.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Получено уравнение состояния продуктов детонации с учетом влияния объема молекул газообразных продуктов детонации на его параметры.

2. Разработан метод расчета преломленной детонационной волны в горную породу с использованием уравнения состояния продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ и ударной адиабат горной породы.

3. Рассчитана зависимость для определения напряжения на стенке взрывной полости для горной породы (гранит) с учетом им-педансов горной породы и ВВ.

4. На основе фазовых переходов получена полуэмпирическая зависимость определения скорости объемной волны для статической адиабаты разгрузки в зависимости от вновь созданных дефектов среды.

5. Установлена зависимость, между предельными значениями относительной диссипацией энергии и напряжением на стенке взрывной полости для гранитной горной породы.

6. Получен метод расчета расстояний между скважинами, учитывающий детонационные характеристики ВВ, физико-механические свойства горной породы и наведенную трещинова-тость.

7. Получена зависимость между диссипацией энергии и средним размером куска разрушенной горной массы на различных расстояниях от скважинного заряда.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки России:

1. Афанасьев ГШ. Влияние детонационных параметров ВВ на энергетическую эффективность взрывного разрушения горных пород / М.Г. Менжулин, ПИ. Афанасьев, A.B. Трофимов // Записки Горного института, СПб., 2010. Т. 186. С.64-67.

2. Афанасьев П.И. Расчет параметров БВР на основе сопряжения зон разрушения для пористых и трещиноватых пород / М.Г. Менжулин, A.B. Федосеев, М.В Захарян, П.И. Афанасьев, A.A. Бульбашев // Взрывное дело. № 105/62. М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГК», 2011. С.62-67.

3. Афанасьев П.И. Оценка степени воздействия сейсмовзрывных волн на здания и сооружения на основании расчетов очагов разрушения / М.Г. Менжулин, М.В. Захарян, A.B. Трофимов, П.И. Афанасьев // Взрывное дело № 102/59. М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГК», 2009. С.211-220.

4. Афанасьев П.И. Особенности физических процессов при дроблении негабаритов горных пород накладными зарядами взрывчатых веществ различных типов / М.Г. Менжулин, A.B. Трофимов, М.В. Захарян, П.И. Афанасьев // Взрывное депо № 103/60. М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГК», 2010. С.66-74.

5. Афанасьев П.И. Физико-механическое обоснование перехода к ресурсосберегающим технологиям взрывного разрушения горных пород / М.Г. Менжулин, Г.И. Коршунов, A.A. Журавлев, П.И. Афанасьев // Строительные материалы. М.: Стройматериалы, 2011. № 5. С.67-69.

Афанасьев П.И. Решение о выдаче патента от 02.02.2012 по заявке № 2010154340 «Способ определения радиуса зоны переизмельчения горной породы при взрыве» / М.Г. Менжулин, П.И. Афанасьев, М.В Захарян, А.Ю. Казьмина, A.A. Бульбашев.

Афанасьев П.И. Решение о выдаче патента от 02.12.2011 по заявке № 2010147583 «Скважинная забойка» / М.Г. Менжулин, П.И Афанасьев, A.A. Бульбашев, Г.П. Парамонов, Ю.А. Миронов.

РИД СПГГУ. 23.04.2012. 3.280 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Афанасьев, Павел Игоревич, Санкт-Петербург

61 12-5/3640

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

МЕТОД РАСЧЕТА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА МАКСИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЯ И ГРАНСОСТАВ РАЗРУШЕННОЙ ГРАНИТНОЙ ГОРНОЙ МАССЫ

Специальность 25.00.20-Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Афанасьев Павел Игоревич

Научный руководитель доктор технических наук, профессор М.Г. Менжулин

Санкт-Петербург 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................................10

1.1. Существующие методы расчета параметров БВР..................................10

1.2. Методы расчета зон разрушения и начальных параметров волн напряжений на стенке взрывной полости.....................................................19

1.3. Методы оценки гранулометрического состава......................................32

Выводы по главе 1..........................................................................................45

ГЛАВА 2. ПРЕЛОМЛЕНИЕ ДЕТОНАЦИОННОЙ ВОЛНЫ В ГОРНУЮ ПОРОДУ.........................................................................................................47

2.1. Уравнение состояния продуктов детонации взрывчатых веществ.......47

2.2. Преломление детонационной волны в окружающую среду.................54

2.3. Ударная адиабата горных пород.............................................................59

Выводы по главе 2..........................................................................................62

ГЛАВА 3. МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ..........................................................63

3.1. Разрушение горной породы с учетом фазовых переходов на поверхностях трещин.............................................................................................................63

3.2. Определение наведенной трещиноватости при распространении волны напряжения.....................................................................................................78

3.3. Метод расчета диссипации энергии.......................................................87

Выводы по главе 3........................................................................................107

ГЛАВА 4. ОПЕРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНСОСТАВА ПРИ ВЗРЫВАХ

РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ВВ В ОТДЕЛЬНЫХ ЗОНАХ РАЗРУШЕНИЯ.....108

4.1. Параметры грансостава разрушенной горной массы в различных зонах .......................................................................................................................108

4.2. Связь энергии диссипации с гранулометрическим составом разрушенной

горной массы.................................................................................................114

Выводы по главе 4........................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

радиусов заряда, а также не определена связь между параметрами грансостава и диссипацией энергии.

Необходимо провести дополнительные исследования для определения грансостава разрушенной горной массы, учитывающие диссипацию энергии, с целью разработки соответствующих рекомендаций, которые позволят снизить выход мелких фракций, а также выбрать тип применяемого взрывчатого вещества и параметры сетки скважин. Цель диссертационной работы Снижение выхода мелких фракций за счет использования метода, определяющего связь между диссипацией энергии, параметрами волн напряжения и распределением грансостава на различных расстояниях от заряда. Основные задачи работы:

4. Получение значений диссипации энергии для различных типов ВВ в гранитной горной породе.

7. Получение зависимости для расчета среднего размера куска разрушенной горной массы на каждом расстоянии от скважинного заряда на основе данных о диссипации энергии. Идея работы

Научная новизна работы

2. Получена аналитическая зависимость между диссипацией энергии и средним размером куска разрушенной горной массы на различных расстояниях от скважинного заряда.

Защищаемые научные положения:

2. Для расчета максимальных параметров волны напряжения на различных расстояниях от заряда необходимо учитывать диссипацию энергии при изменении наведенной трещиноватости в процессе распространении волны напряжения.

Методы исследований

1. Разработан метод расчета параметров БВР с учетом детонационных характеристик применяемых на карьере ВВ.

2. Разработана рекомендация по выбору типов применяемых ВВ, основанная на условии уменьшения потерь энергии в ближней зоне взрыва и одновременно обеспечивающая снижение выхода мелких фракций.

Реализация результатов работы

Разработаны рекомендации по выбору параметров БВР на карьере ЗАО «Гавриловское карьероуправление».

Результаты исследований планируется использовать в учебном процессе при проведении практических занятий на кафедре взрывного дела. Достоверность научных положений и выводов

скважинного заряда. Диссертация основана на использовании положений газодинамики, термодинамики, механики взрыва и полученных экспериментальных данных.

Личный вклад автора

Апробация работы

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 100 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Существующие методы расчета параметров БВР

На открытых горных работах подготовка полезного ископаемого к выемке заключается в разрушении массива. Разрушение массива осуществляют ведением буровзрывных работ. Буровзрывные работы - это комплекс работ, состоящий из бурения станками сетки скважин для зарядов ВВ, выбор типа ВВ, конструкции заряда, а также последовательности взрывания скважинных зарядов. К основному методу ведения взрывных работ на карьерах следует отнести метод скважинных зарядов [25]. Наибольшее распространение получили вертикальные и наклонные скважинные заряды [90]. При применении наклонных скважинных зарядов, несмотря на получение более равномерного дробления горной массы, бурение станками таких скважин менее производительно, чем вертикальных скважин.

К основным параметрам метода скважинных зарядов относят удельный расход, линию наименьшего сопротивления, диаметр скважин:

I. Рациональный удельный расход ВВ - технико-экономическая задача основанная на подсчете конечной стоимости добычи полезного ископаемого по всем процессам.

Для нахождения удельного расхода ВВ для различных горных пород используют различные шкалы и классификации пород по взрываемости, например шкалу «Союзвзрывпрома», в которой породы разделены на 16 категорий по удельному расходу аммонита №6, создающему воронку нормального выброса. Также применяется Единая классификация пород по буримости и взрываемости проф. А.Ф. Суханова.

Аналитический расчет удельного расхода ВВ в настоящее время затруднен, так как зависимости между эффективности взрывания от физико-механических характеристик пород в массиве не существует. Однако,

различные наблюдения и производственный опыт указывают на возможность относительной оценки сопротивления пород взрыванию и составления расчетной шкалы взрываемости, основанной на механических параметрах пород.

Для расчета удельного расхода приняты следующие положения [77]: Энергия взрыва при дроблении породы затрачивается на создание новых поверхностей с преодолением пределов прочности породы на сжатие <тсж, сдвиг <усдв и растяжение <ур. Доля участия сжимающих, сдвиговых и

растягивающих напряжений в дроблении при различных видах и условиях взрывания неодинакова.

• В настоящее время принимается, что расход энергии взрыва на дробление породы пропорционален площади вновь создаваемых свободных поверхностей,

которая, в свою очередь, зависит от степени дробления п = то есть от

с1СР

соотношения средних линейных размеров отдельности 1СР и куска взорванной горной массы с1ср:

д = <р2

г I Л

1ср У

(1)

С увеличением степени дробления п практически пропорционально увеличивается удельный расход ВВ. Обычно в практике взрывания степень дробления равна п = 1 - 5. В отдельных случаях, например при йСР = ОД - 0,25 м, дробление естественных отдельностей может не учитываться и считать, что порода разрушается взрывом на сотрясение, тогда величина п может быть меньше единицы.

• Влияние трещиноватости для различных типов трещин (экзогенные, тектонические, выветривания и др.) на удельный расход ВВ имеет сложный характер, в целом оно учитывается коэффициентом трещиноватости К вводится в оценки параметров разрушения.

тр '

В трещиноватом массиве неизбежны потери энергии ВВ. Поверхности раздела могут иногда полностью отражать волны напряжений или резко ослаблять их. Эти потери можно принять приблизительно равными 20 % от общего количества энергии взрыва, тогда дополнительный расход ВВ можно учесть коэффициентом КТР = 1,2. Вместе с тем, следует учитывать, что развитая трещиноватость массива сокращает расход ВВ на создание новых поверхностей. Таким образом, удельный расход ВВ является функцией трещиноватости:

Ч = <Рз{ктр)- (2)

• Энергия взрыва расходуется на преодоление силы тяжести и придания кускам взорванной породы кинетической энергии. Такой расход энергии пропорционален объемному весу породы у:

Ч=<Ра(Г)- (3)

Для учета реальных факторов, связанных с взрывом, на основе эталонного удельного расхода ВВ устанавливают проектный удельный расход ВВ:

Чп ~ Чэ^ВВ^Д^С.З^У^С.П^ТР ' (4)

где квв - переводной коэффициент от аммонита №6 ЖВ к практически используемому ВВ; кд - коэффициент, учитывающий требующуюся в данных условиях степень дробления; ксз - коэффициент, учитывающий фактически принимаемую форму зарядов ВВ; ку - коэффициент, учитывающий влияние объема взрываемой массы на проектный расход ВВ; ксп - коэффициент, учитывающий число свободных поверхностей взрываемой части массива; Ктр -коэффициент трещиноватости.

Основные расчетные формулы для определения удельного расхода, применяемые на практике:

• Зависимость для определения удельного расхода ВВ для скважин диаметром 200-250 мм [84]:

Чэевв

Чр 2,6 ' ^ где дэ - эталонный расход граммонита 79/21 при кондиционном размере

кусков 500 мм, кг/м ; евв - коэффициент работоспособности ВВ; рп -

плотность породы, кг/м ; к(1 - поправочный коэффициент на допустимый размер куска разрушенной горной массы.

• Зависимость, предложенная в МГИ проф. Б.Н. Кутузовым. Данная методика расчета основана на фундаментальных работах акад. РАН В.В. Ржевского [45, 99]:

д = ОД ^7(0,6 + 3,3-10"3 1 -¡- евв, (6)

где / - коэффициент крепости породы проф. М.М. Протодьяконова; й3 -диаметр заряда, м; с1{) - средний размер отдельности во взрываемом массиве по МКВД, м; йк - предельный кондиционный размер куска, м.

II. Линия наименьшего сопротивления (ЛНС, выраженная в диаметрах заряда, при эталонном ВВ может служить характеристикой взрываемости пород).

Определить ЛНС м

Информация о работе

Афанасьев, Павел Игоревич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2012
ВАК 25.00.20

Диссертация

Метод расчета диссипации энергии и ее влияние на максимальные параметры волн напряжения и грансостав разрушенной гранитной горной массы - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы