СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ, ПЕРЕДАННОЙ ГРУНТОВОМУ МАССИВУ ПРИ ВЗРЫВЕ Российский патент 1998 года по МПК F42D1/00 F42D3/00 F42D7/00 

Изобретение относится к области промышленного применения взрывчатых веществ (BB) и может быть использовано при взрывных работах на горных предприятиях и в строительстве, т.к. величина энергии BB, переданной грунтовому массиву при взрыве, определяет взрывное действие BB при их применении.

Известен способ расчетного или лабораторного определения потенциальной энергии BB (Дубнов Л.В. Бахаревич Н.С. Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М. Недра, 1988, с.26-44). Недостатком этого способа для оценки взрывного эффекта BB является неучет закономерностей перехода энергии BB во взрываемый грунтовый массив. В связи с этим обязательно проводят полевые испытания BB.

Известен также принятый за прототип способ определения относительной энергии взрывчатых веществ, переданной грунтовому массиву при взрыве, включающий бурение скважин или шпуров в грунтовом массиве, размещение в них зарядов сравниваемых ВВ и эталонного заряда ВВ, например, граммонита 79/21 или аммонита 6ЖВ, засыпку свободного пространства скважин забоечным материалом с обеспечением полной камуфлетности взрывов и производство взрывов (Азаркович А. Е. и Тихомиров А. П. Современные промышленные взрывчатые вещества, их оценка и условия рационального применения на карьерах. М. Цветметинформация, 1969, с.87-95).

В этом способе в грунтовом массиве бурят скважины или шпуры, в которых размещают камуфлетные заряды сравниваемых BB, среди которых одно (обычно граммонит 79/21 или аммонит 6ЖВ) считают эталонным. Свободное пространство скважин заполняют забойкой и производят взрывы. Затем специальными приборами производят замер объема образовавшихся полостей (котлов) и по значениям объема, приходящихся на 1 кг BB, судят о взрывном эффекте сравниваемых BB. Недостатками этого способа являются трудоемкость замера объема котлов и малость получаемой информации (одно цифровое значение для каждого из полученных котлов).

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности результатов сравнительной оценки BB, снижение ее трудоемкости, уменьшение сроков работ за счет увеличения количества и усреднения получаемых при испытаниях данных и отсутствия необходимости в замере объема котлов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения относительной энергии BB, переданной грунтовому массиву при взрыве, включающем бурение скважин или шпуров в однородном грунтовом массиве, размещение в них зарядов сравниваемых BB, в том числе эталонного, например, граммонита 79/21, засыпку свободного пространства скважин забоечным материалом с обеспечением полной камуфлетности взрывов и производство взрывов, при их проведении выполняют сейсмические измерения на поверхности массива, определяя модуль векторной скорости смещения и период колебаний массива, а после взрывов для каждого из сравниваемых BB по результатам измерений находят зависимость

и затем определяют относительную (к показателю для граммонита 79/21) энергию сравниваемых BB, переданную массиву, по формуле

где v_i модуль векторной скорости смещения массива, м/с;
K_i коэффициент сейсмичности сравниваемого BB;
K_79/21 то же для граммонита 79/21;
T_i период колебаний массива при взрыве сравниваемого BB, с;
T_79/21 то же для граммонита 79/21;
Q масса заряда BB, кг;
r расстояние по поверхности массива от эпицентра взрыва до точки сейсмических измерений, м;
ν показатель затухания сейсмических колебаний с увеличением расстояния.

При исследовании технического уровня предлагаемого изобретения не обнаружено технического решения, обладающего признаками предлагаемого способа, на основании чего можно считать, что предлагаемое решение соответствует критерию "технический уровень".

На фиг.1 показана принципиальная схема проведения сравнительных взрывов в разрезе; на фиг. 2 то же, план; на фиг.3 фактические результаты сравнительных испытаний существенно отличных по свойствам BB в виде зависимости удельной энергии BB, переданной грунтовому массиву при взрыве, от сейсмического параметра K2i

T_i; на фиг.4 та же зависимость в относительных (к показателям для граммонита 79/21) величинах; на фиг.5 график анализа данных сейсмических измерений для определения значений K_i и ν в примере реализации способа.

Способ осуществляют следующим образом (см. фиг.1 и 2). В грунтовом массиве с его верхней открытой поверхности 1 бурят скважины или шпуры 2. Диаметр скважин должен быть близок к тому, который будет использован в производственных взрывах, а глубина обеспечивать камуфлетное действие взрывов. В скважинах размещают заряды сравниваемых BB 3 с массой Q, среди которых обязательно используют эталонный граммонит 79/21. Для обеспечения полной камуфлетности взрывов соблюдают соотношение

где W линия наименьшего сопротивления заряда (см. фиг.1), м;
q расчетный удельный расход BB, кг/м³, принимаемый по таблицам технических руководств (см. Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. М. Недра, 1972, с.11).

Свободную часть скважин засыпают забоечным материалом 4. При взрывах образуются камуфлетные полости 5. На поверхности массива помещают трехкомпонентные сейсмические станции I-V в количестве не менее 5, расположенные, например, по профильной схеме. Расстояния от точек измерений до эпицентра взрывов 6 должны изменяться от возможно малых до равных не менее и не более .

Подготовленные заряды взрывают по одному с записью сейсмических колебаний всеми установленными сейсмостанциями. Следующие взрывы проводят аналогичным образом. Для повышения достоверности результатов однотипные взрывы дублируют.

При взрывах сейсмические станции регистрируют три компоненты (x, y, z) скорости смещения, а также период колебаний массива при взрывах. Анализ полученных сейсмических данных производят путем построения на логарифмической бумаге линейных графиков зависимости значений векторной скорости смещения от параметра где Q в кг, r в м. По экспериментальным точкам с помощью метода наименьших квадратов находят для рассматриваемого взрыва зависимость

и соответствующие численные значения коэффициента сейсмичности K_i и показателя затухания сейсмических волн с расстоянием ν (см. ниже примеры).

По полученным данным на заключительной стадии осуществления способа определяют относительную (к показателю для эталонного граммонита 79/21) энергию сравниваемого BB, передаваемую массиву при взрыве, по формуле

где T_i и T_79/21 период колебаний массива соответственно для сравниваемого BB и граммонита 79/21, с; K_79/21 коэффициент сейсмичности для граммонита 79/21.

Физическое обоснование предлагаемого способа и вывод применяемых расчетных формул базируются на результатах специального аналитико-экспериментального исследования.

Известно, что из-за разницы акустической жесткости продуктов взрыва BB и грунтового массива в последний при взрыве переходит не вся энергия BB, а ее часть, определяемая так называемым коэффициентом преломления, который в энергетической форме выражают формулой

где D скорость детонации BB;
ρ_вв плотность BB;
С_p скорость распространения продольных упругих волн в массиве;
ρ_г плотность грунта в массиве.

Количество энергии, переходящей при взрыве в массив, составляет
Э=Э_скK_пр,
где Э_ск энергия BB в скважине.

При разработке предлагаемого способа нами в однородном массиве песчаника ( ρ_г 2,4•10³ кг/м³, С_р=3,8•10³ м/с) проведены сравнительные испытания трех типов BB с существенно разными характеристиками: граммонита 79/21, игданита и аммиачной селитры (табл.1).

Заряды массой Q= 50 кг размещали в скважинах диаметром 150 мм и глубиной 10 м. Верхнюю часть скважин заполняли забойкой. ЛНС составляла W=8,5 м. При таких условиях (где q= 1,8 кг/м³), что обеспечивало полную камуфлетность взрыва.

Для регистрации сейсмических колебаний массива на его поверхности перед взрывами установили 5 трехкомпонентных сейсмостанций, расположенных по схеме фиг. 1, 2 по профилю, что обеспечило диапазон расстояний от сейсмостанций до эпицентров взрывов r до 110 м. После взрывов определяли векторную скорость смещения и период колебаний массива. Заряды взрывами по одному. Повышения достоверности результатов достигали повторяемостью однотипных взрывов.

При анализе данных сейсмических измерений на логарифмической бумаге строили графики прямолинейной зависимости векторной скорости V_i от параметра , на основе которых устанавливали коэффициенты сейсмичности испытанных BB (см. табл.1) и показатель затухания сейсмических колебаний с расстоянием, который в данном случае составил 1,75 для всех ВВ.

Данные табл. 1 отражены на графике фиг.3, где по оси абсцисс отложены значения параметра K2i

T_i, который выражает сейсмическую энергию взрыва, а по оси ординат значения переданной массиву удельной энергии Э (см. табл.1). Экспериментальные точки 1, 2 и 3 соответствует граммониту 79/21, игданиту и аммиачной селитре. Расположение точек показывает, что существует четкая линейная зависимость Э = f(K2iT), проходящая через начало координат. Такой характер исследованной зависимости согласуется с теоретическими представлениями о действии камуфлетных взрывов.

Для обобщения полученных результатов на другие грунтовые массивы и другие BB на фиг.4 построен график изменения относительной (к показателям для граммонита 79/21) энергии BB, переданной массиву при взрыве от относительной сейсмической энергии . Обозначения экспериментальных точек те же, что на фиг.3. График фиг.4 придает предлагаемому способу необходимую универсальность, позволяя по зарегистрированной относительной сейсмической энергии взрывов оценивать относительную энергию разных BB, переданную массивам разного состава при взрыве, по формуле .

Пример 1. Предлагаемым способом производят полевые испытания нового конверсионного BB гранипора БП-3.

При реализации способа в однородном скальном массиве гранита (ρ_г2,6•10³ кг/м³, С_р= 5,5•10³ м/с) производят взрывы камуфлетных зарядов гранипора, а также эталонного граммонита 79/21, сопровождая каждый взрыв сейсмическими измерениями.

Для этого в массиве по схеме фиг.1 бурят скважины диаметром 214 мм и глубиной 8 м. В скважинах размещают заряды сравниваемых BB массой 40 кг при ЛНС W= 7,3 м. Значение

обеспечивает полную камуфлетность взрывов. Свободную часть скважин заполняет забойкой. Трехкомпонентные сейсмические станции в количестве 5 размещают по профильной схеме таким образом, что расстояние от точек измерений до эпицентров взрывов находится в диапазоне r= 7-30 м. Каждый заряд взрывают раздельно. Для увеличения достоверности результатов однотипные взрывы дублируют.

Полученные при сейсмических измерениях значения векторной скорости смещения V и периода колебаний массива T приведены в табл.2.

На фиг. 5 построены графики зависимости V от параметра и с помощью метода наименьших квадратов получены эмпирические формулы:
для гранипора БП-3 (точки 1 на фиг.5)

для граммонита 79/21 (точки 2 на фиг.5)

Проверка статистическими методами показала значимость расхождения значений для гранипора K_i1,65 и для граммонита 79/21 K_79/211,5. Это позволяет определить значение относительной энергии, передаваемой массиву гранипором БП-3:

т. е. гранипор БП-3 передает в массив энергии на 21% больше, чем граммонит 79/21.

Можно отметить, что полученный результат, на первый взгляд, кажется парадоксальным, поскольку удельная потенциальная энергия граммонита 79/21 (4,28 МДж/кг) больше, чем гранипора БП-3 (3,8 МДж/кг). Однако скорость детонации гранипора (Д=5,5•10³ м/с) существенно больше, чем граммонита, и соответственно соотношение акустической жесткости продуктов взрыва и грунта благоприятнее для передачи энергии грунта.

Полученный предлагаемым способом результат полностью подтвердился производственными испытаниями гранипора БП-3 на Березовском карьере.

Пример 2. Предлагаемым способом производят полевые испытания комбинированных зарядов, состоящих из отрезков шланга, заполненного тротиловыми шашками (конверсионное изделие), и аммиачной селитры.

При реализации способа в однородном полускальном массиве мергеля (ρ_г 2,3•10³ кг/м³, С_р=3•10³ м/с) бурят по схеме фиг.1 скважины диаметром 150 мм и глубиной 7 м. В них размещают заряды массой Q=30 кг, состоящие из отрезков шланговых зарядов с тротилом и аммиачной селитры, который заполняют пространство между шланговым зарядом и стенками скважины. Для сравнения аналогично используют заряды из граммонита 79/21. Свободную часть скважин заполняют забойкой. При ЛНС W=6 м значение
=0,087
обеспечивает полную камуфлетность взрывов.

Заряды взрывают по одному с дублированием однотипных взрывов.

Сейсмические станции на поверхности массива располагают аналогично примеру 1. При взрывах производят измерения векторной скорости смещения и периода сейсмических колебаний массива.

Обработка данных сейсмических измерений выполнена по той же методике, что в примере 1. В результате определены значения коэффициента сейсмичности для комбинированных зарядов K_i 3,1 и для граммонита 79/21 K_79/21= 3,0, а также периоды колебаний массива T_i= 0,029 с и T_79/21 0,032 с.

По этим данным определяют относительную энергию, передаваемую массиву при взрыве комбинированными зарядами

т. е. по передаваемой массиву при взрыве энергии сравниваемые BB практически равноценны. Этот вывод был подтвержден широкими производственными испытаниями комбинированных зарядов на Жигулевском карьере.

Изобретение обеспечивает следующие положительные технические результаты:
повышение достоверности результатов полевой оценки BB;
снижение трудоемкости работ;
уменьшение сроков их проведения.

Использование: изобретение относится к области промышленного применения взрывчатых веществ и может быть использовано при взрывчатых работах на горных предприятиях и в строительстве. Существо: в способе определения относительной энергии взрывчатых веществ, переданной грунтовому массиву при взрыве, включающем бурение скважин или шпуров в грунтовом массиве, размещение в них зарядов сравниваемых BB и эталонного заряда BB, засыпку свободного пространства скважин забоечным материалом с обеспечением полной камуфлетности взрывов и производство взрывов, при проведении взрывов выполняют сейсмические измерения на поверхности массива с определением модуля векторной скорости смещения и периода колебаний массива, а после взрывов для каждого из сравниваемых BB по результатам измерений находят зависимость и затем определяют относительную к показателю эталонного BB энергию сравниваемых BB, переданную массиву, по формуле, приведенной в описании изобретения. 2 табл., 5 ил.

Способ определения относительной энергии взрывчатых веществ, переданной грунтовому массиву при взрыве, включающий бурение скважин или шпуров в грунтовом массиве, размещение в них зарядов сравниваемых ВВ, в т.ч. эталлонного заряда ВВ, например граммонита 79/21, засыпку свободного пространства скважин забоечным материалом с обеспечением полной камуфлетности взрывом и производство взрывом, отличающийся тем, что при проведении взрывов выполняют сейсмические измерения на поверхности массива с определением модуля векторной скорости смещения, и периода колебаний массива, а после взрывов для каждого из сравниваемых ВВ по результатам измерений находят зависимость

и затем определяют относительную (к показателю для эталонного ВВ) энергию сравниваемых ВВ, переданную массиву, по формуле

где v_i модуль векторной скорости смещения массива, м/с;
K_i коэффициент сейсмичности сравниваемого ВВ;
K_79/21 то же для граммонита 79/21;
T_i период колебаний массива при взрыве сравниваемого ВВ, с;
T_79/21 тоже для граммонита 79/21;
Q масса заряда ВВ, кг;
r расстояние по поверхности массива от эпицентра взрыва до точки сейсмических измерений, м;
ν - показатель затухания сейсмических колебаний с расстоянием.