Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід

Реферат: Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід, який включає створення піщаноцементної моделі, формування в ній вибухових порожнин, заряджання їх, комутацію вибухової мережі і підривання, причому спочатку із піщано-цементного тіста створюють структурно однорідні, а також анізотропні моделі гірського масиву, які формують з шарів перпендикулярно і паралельно осі вибухової порожнини, далі в центрі моделі розташовують вставки різної форми перерізу на глибину (0,5-0,6)hмод, а на відстані (8-10)rо, від осі зарядів на глибину0,5hмод встановлюють п'єзоелектричні давачі, після набору попередньої міцності моделі з неї виймають вставки і витримують до максимальної міцності, потім у порожнині формують заряд вибухової речовини, встановлюють ініціатор, герметизують набійкою і підривають, по отриманих показниках амплітудних значень максимальних механічних напружень в хвилі стискання, знятих з давачів, перетворюються в електричні сигнали, які кодуються і передаються на цифровий осцилограф, а по осцилограмах обчислюють максимальні механічні напруження за формулою,  CU , d33 Sд причому, параметри, які характеризують якість дроблення моделі зарядом ВР різної форми оцінюють методом ситового аналізу, де C - електрична ємність п'єзодавача (Ф), d33 - його п'єзомодуль (К/Н), S д - площа поверхні давача, нормально розташованого в напрямку хвилі 2 напружень від вибуху заряду ВР (м ), hмод - розмір грані моделі, rо - радіус заряду. UA 96509 U (54) СПОСІБ МОДЕЛЮВАННЯ ВИБУХОВОГО РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД UA 96509 U UA 96509 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до гірничої промисловості, а саме до моделювання процесів, які протікають в масиві гірських порід під впливом вибуху зарядів ВР різної форми перерізу при руйнуванні структурно однорідних та анізотропних гірських порід. Відомі способи моделювання на еквівалентних матеріалах вибухового руйнування напруженого середовища формуванням в моделі вибухових порожнин, імітуючи шпурові чи свердловинні заряди, заряджання їх і підривання на вільний простір [1-5]. Найбільш близьким за своєю суттю і досягуваному результату в порівнянні із запропонованим технічним рішенням, вибраним за прототип, є спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід згідно з [6]. Спосіб містить в собі формування моделі гірничого масиву із еквівалентних матеріалів піщано-цементної суміші, розміщення в ній вибухових порожнин, заряджання їх, комутацію вибухової мережі і підривання. Результати вибуху оцінюють по розподілу гранулометричного складу зруйнованої моделі. Однак приведений спосіб має недоліки. При моделюванні вибухового руйнування масиву гірських порід не забезпечується висока достовірність, обґрунтованість і наочність досліджень, а також умов, в яких може проводиться виробка, що не дозволяє всебічного вивчення характеру руйнування зразків порід, і, як наслідок, веде до підвищення хибності і зниження достовірності отриманих результатів руйнування моделі гірського масиву. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу моделювання вибухового руйнування гірських порід в масиві, в якому за рахунок формування в сталевій формі у вигляді куба моделі структурно однорідних та анізотропних гірських порід із еквівалентних матеріалів, встановленням в центрі моделі вставок - циліндричної, трикутникової та квадратної призми, розміщенням в них вибухової речовини та ініціювання зарядів ВР, що дозволяє оцінити якісну картину руйнування моделі та обґрунтувати ефективність роботи зарядів ВР різної форми перерізу при руйнуванні моделі структурно однорідних та анізотропних гірських порід, і як наслідок отримати числові значення впливу анізотропії міцнісних і акустичних властивостей моделей на амплітуду напружень в хвилі стискання, характеру розподілу гранулометричного складу і знов утвореної поверхні зруйнованої моделі, підвищенню точності, обґрунтованості і достовірності отриманих даних при виконанні експериментальних досліджень. Поставлена задача вирішується тим, що в способі моделювання вибухового руйнування гірських порід, який включає: створення піщано-цементної моделі, формування в ній вибухової порожнини, заряджання її, комутацію вибухової мережі і підриванню, згідно з корисною моделлю, спочатку із піщано-цементного тіста створюють структурно однорідні, а також анізотропні моделі гірського масиву, які формують з шарів перпендикулярно і паралельно осі вибухової порожнини, далі в центрі моделі розташовують вставки різної форми перерізу на глибину (0,5-0,6)hмод, а на відстані (8-10)rо, від осі зарядів на глибину·0,5hмод встановлюють п'єзоелектричні давачі, після набору попередньої міцності моделі з неї виймають вставки і витримують до максимальної міцності, потім у порожнині формують заряд вибухової речовини, встановлюють ініціатор, герметизують набійкою і підривають, по отриманих показниках амплітудних значень максимальних механічних напружень в хвилі стискання, знятих з давачів, перетворюються в електричні сигнали, які кодуються і передаються на цифровий осцилограф, а по осцилограмах обчислюють максимальні механічні напруження за формулою,  45 CU , d33 Sд причому параметри, які характеризують якість дроблення моделі зарядом ВР різної форми оцінюють методом ситового аналізу, де C - електрична ємність п'єзодавача (Ф), d33 - його п'єзомодуль (К/Н), S д - площа поверхні давача, нормально розташованого в напрямку хвилі 2 50 55 напружень від вибуху заряду ВР (м ), hмод - розмір грані моделі, rо - радіус заряду. В запропонованому способі моделювання вибухового руйнування гірських порід, ефективність і технічний результат досягається за рахунок підвищення достовірності і обґрунтованості при оцінці результатів руйнування моделі структурно однорідних і анізотропних гірських порід із еквівалентних матеріалів, формування в центрі моделі вибухових порожнин встановленням вставок у вигляді циліндра, трикутникової та квадратної призми, розміщенням в них вибухової речовини з наступним ініціюванням зарядів ВР, що дозволяє отримати якісну картину руйнування моделі та обґрунтувати ефективність роботи зарядів ВР різної форми перерізу, числові значення розподілу гранулометричного складу, впливу анізотропії міцнісних та акустичних властивостей моделей на амплітуду напружень в хвилі стискання та знов утвореної поверхні зруйнованої моделі при виконанні експериментальних досліджень. 1 UA 96509 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Суть пояснюється кресленнями та схемами: Фіг. 1 - схема формування структурно однорідної моделі з п'єзоелектричним давачем; Фіг. 2, Фіг. 3 - схема формування моделі анізотропного гірського масиву з розташуванням в них шарів перпендикулярно і паралельно осі вибухової порожнини з п'єзоелектричним давачем; Фіг. 4, Фіг. 5 - вигляд моделі в вибуховій камері до і після вибуху; Фіг. 6 - конструкції зарядів різної форми перерізу для моделювання руйнування однорідного та анізотропного гірського масиву вибухом; Фіг. 7 - загальний вигляд вимірювального приладу - осцилограф типу OWON серії POS 58225; Фіг. 8 - типова осцилограма максимальних напружень в хвилі стискання; Фіг. 9 - загальний вигляд обчислювального комплексу NOUTBOOK; Фіг. 10 - типова залежність складу фракцій дроблення n від їх розміру d при розподілу гранулометричного складу зруйнованої вибухом моделі зарядами ВР різної форми перерізу; Фіг. 11 - типова гістограма розподілу фракційного складу продуктів руйнування n від їх розміру d зруйнованої вибухом моделі зарядами ВР різної форми перерізу. Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід реалізується у такій послідовності. У лабораторії готують майданчик, де розміщують все обладнання для проведення експериментів. Для формування моделі гірського масиву готують піщано-цементне тісто в пропорції 1:1 і 0,5 % води. Просіяний пісок змішують с цементом в сухому стані і якісно перемішують з додаванням води. В підготовленій сталевій формі у вигляді куба з розмиром ребра 150 мм формують кілька типів моделей гірського масиву, спочатку структурно однорідні (1, Фіг. 1), а решту моделі анізотропного гірського масиву (2; 3, Фіг. 2, Фіг. 3), заливаючи в них піщано-цементне тісто шарами (4) перпендикулярно і паралельно осі заряду. Шари відділяють один від одного поліхлорвініловою плівкою (5 Фіг. 2, Фіг. 3) товщиною 0,5 мм, довжина і ширина якої складає 0,8 ребра моделі. Тісніший контакт між шарами досягається отворами (6, Фіг. 2, Фіг. 3), рівномірно сформованими на поверхні плівки діаметром 5-6 мм. Далі в центрі моделі формують вибухові порожнини (7, Фіг. 1, Фіг. 2, Фіг. 3) розміщуючи вставки різної форми перерізу на глибину (0,50,6)hмод, а на відстані (8-10)rо, від осі зарядів на глибину 0,5hмод встановлюють п'єзоелектричні давачі (8, Фіг. 1, Фіг. 2, Фіг. 3). Після набору попередньої міцності моделі з неї виймають вставки і витримують до максимальної міцності згідно з діючими Держстандартами. Після витримки моделі до максимальної міцності в сталевій формі її виймають і встановлюють в вибухову камеру (9 Фіг. 4, Фіг. 5). В підготовлених порожнинах (свердловинах, шпурах 7, Фіг. 1, Фіг. 2, Фіг. 3) формують заряди різних конструкцій: 10 - заряд постійного перерізу; 11 - заряд в перетину у вигляді трикутникової призми; 12 - заряд в перетину у вигляді квадратної призми (Фіг. 6), розміщуючи в них вибухову речовину (13) типу Комполайт з бойовиком (14), а гирло порожнини герметизують набійкою (15, Фіг.1, Фіг.2 Фіг. 3). Підготовлені заряди комутують в вибухову мережу, з'єднують з вибуховим приладом і підривають з використанням відрізків воловоду довжиною 0,5 м НЕСІ "Імпульс" з'єднаний з капсюлем-детонатором. Після вибуху зарядів ВР в моделях максимальні механічні напруження в хвилі стискання фіксуються і перетворюються п'єзоелектричними давачами (8) в електричні сигнали які надходять на цифровий осцилограф типу OWON серії POS 58225 (Фіг. 7). Перед вимірюванням проводиться калібрування осцилографа і встановлюється необхідна для даного експерименту чутливість по амплітуді і тривалості імпульсу показників напружень, отриманих при пробних вибухах. Амплітудні показники сигналу на осцилографі відповідають максимальному механічному напруженню в хвилі стискання, яка видається на моніторі у вигляді осцилограми (Фіг. 8). Отримані амплітудні значення максимальних механічних напружень в хвилі стискання, знятих з давачів (8), кодується і передається на обчислювальний комплекс NOUTBOOK (Фіг. 9), де з використанням програмного забезпечення (ПЗ) осцилограми обробляються і далі видаються на монітор в діалоговому вікн, де ми бачимо осцилограми з показниками по всьому діапазону вимірювань. По електричних показниках сигналів, знятих з п'єзоелектричних давачів обчислюють максимальні механічні напруження за формулою,  CU , d33 Sд де C електрична ємність п'єзодавача (Ф), d33 – його п'єзомодуль (К/Н), S д площа поверхні 55 давача, нормально розташованого в напрямку хвилі напружень від вибуху заряду ВР (м), а параметри що характеризують якість дроблення моделі зарядом ВР різної форми оцінюють методом ситового аналізу, де rо - радіус заряду; hмод - розмір грані моделі. Для обґрунтування ефективності і вибору найбільш приємної конструкції заряду ВР проводять порівняльну оцінку результатів руйнування моделей зарядами ВР різної форми перерізу (Фіг. 6). Зруйновану модель (1; 2; 3) із камери (9, Фіг. 4, Фіг. 5) струшують в ємність і 2 UA 96509 U 5 10 далі проводять її гранулометричний аналіз по відомих методиках [7]. Для цього використовують набори лабораторних сит з отворами розміром 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 12,0; 16,0; 20,0; 26,0; 30,0; 40,0; 50,0; 60,0; 70,0; 80,0 мм. Сита встановлюють зверху вниз від великих розмірів до дрібних. Зруйнований матеріал моделі (Фіг. 5) поміщають на верхнє сито і увесь набір струшують впродовж 10 хвилин. Залишок на кожному ситі зважують на технічних вагах з точністю до 0,1 %. Отримані результати заносять в таблиці і обробляють їх, по яких виводять залежності розподілу гранулометричного складу зруйнованої моделі (Фіг. 10; Фіг. 11) для різних конструкцій заряду ВР з використанням програм Microsoft Excel. По отриманих даних результатів руйнування моделі (Фіг. 5), що характеризують якість дроблення моделі зарядом ВР різної форми перерізу, обчислюють діаметр середнього шматка згідно з залежністю: i w d i i i1 , 100 де w i - зміст і-ї фракції чи і-го шматка, %; di - середній розмір і-го шматка чи і-ї фракції, см, 15 20 25 30 35 40 45 50 55 По отриманих показниках виводять залежності розподілу гранулометричного складу зруйнованої моделі різними конструкціями зарядів ВР (Фіг. 10), а також гістограми фракційного складу продуктів руйнування n від їх розміру d зруйнованої вибухом зарядом ВР різної форми перерізу (Фіг. 11). Технологія способу моделювання вибухового руйнування гірських порід в моделі з використанням зарядів ВР різної форми виконується таким чином (Фіг. 1, Фіг. 2, Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 5, Фіг. 6, Фіг. 7, Фіг. 8, Фіг. 9, Фіг. 10, Фіг. 11). Перед проведенням експериментальних досліджень готують все обладнання і матеріали. Потім підготовлені моделі (1; 2; 3), які імітують структурно однорідний та анізотропний гірський масив, встановлюють в вибухову камеру (9). В підготовлених вибухових порожнинах (7) формують заряди ВР різної форми перерізу, розміщенням вибухової речовини (13), типу Комполайт з бойовиком (14), а гирло порожнини герметизують набійкою (15) із кварцового піску діаметром фракції 0,25 мм. Підготовлені заряди комутують в вибухову мережу, з'єднують з вибуховим приладом і підривають з використанням відрізків хвилеводу НЕСІ "Імпульс" довжиною 0,5 м з'єднаний з капсюлем-детонатором. Зруйновані моделі (1; 2; 3) витрушують з камери і проводять їх гранулометричний аналіз. Для цього використовують набори лабораторних сит з отворами розміром 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 12,0; 16,0; 20,0; 26,0; 30,0; 40,0; 50,0; 60,0; 70,0; 80,0 мм. Сита встановлюють зверху вниз від великих розмірів до дрібних. Зруйнований матеріал моделі (Фіг. 4, Фіг. 5) поміщають на верхнє сито і увесь набір струшують впродовж 10 хвилин. Залишок на кожному ситі зважують на технічних вагах з точністю до 0,1 %. Отримані результати заносять в таблиці і обробляють їх, по яких виводять залежності розподілу гранулометричного складу зруйнованої моделі (Фіг. 10, Фіг. 11) для різних конструкцій заряду ВР (Фіг. 6) з використанням програм Microsoft Excel. Використання розробленого способу моделювання вибухового руйнування гірських порід дозволить одержати достовірні і обґрунтовані дані при руйнуванні моделі гірських порід зарядами ВР різної форми перерізу. Запропонований спосіб та методика проведення досліджень може бути використаний для обґрунтування раціональних параметрів зарядів в шпурах та розташування їх в забої при проведенні підготовчої виробки, на уступі в кар'єрі і, тим самим, знизити енергетичні витрати під час відбивання гірських порід на глибоких шахтах, рудниках і кар'єрах. Джерела інформації: 1. Друкованый, М.Ф. Методы управления взрывом па карьерах /Μ.Φ. Друковапый. - Μ.: Недра, 1973. - С. 310-315 2. Моделирование разрушающего действия взрыва в горных породах /В.М. Комир, Л.М. Гейман, B.C. Кравцов, П.И. Мячина. - М.: Наука, 1972. – 214 с. 3. Ванягин, И.Ф. Физическое моделирование действия взрыва и процесса разрушения горных пород взрывом /И.Ф. Ванягин, В.А. Боровиков. - Л.: Изд. ЛГИ, 1984. - 108 с. 4. Лабораторные и практические работы по разрушению горных пород взрывом. Учеб. пособие для вузов /Б.Н. Кутузов, В.И. Комащепко, В.Ф. Носков идр. - М.: Недра, 1981. - 255 с. 5. А.С. СССР № 1491106, МКИ F42D 3/00; Заявл. 04.05.87. 6. А.С. СССР № 1549269, МКИ F42D 3/04. Способ моделирования взрывного разрушения горной породы /В.Я. Чертков, С.Н. Азовцев, Ю.А. Мыздриков и др. - Заявл. № 4309317/23-03 от 05.08.87. - ДСП. 3 UA 96509 U 7. Барон, Л.И. Кусковатость и методы ее измерения /Л.И. Барон. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 226 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід, який включає, створення піщаноцементної моделі, формування в ній вибухових порожнин, заряджання їх, комутацію вибухової мережі і підривання, який відрізняється тим, що спочатку із піщано-цементного тіста створюють структурно однорідні, а також анізотропні моделі гірського масиву, які формують з шарів перпендикулярно і паралельно осі вибухової порожнини, далі в центрі моделі розташовують вставки різної форми перерізу на глибину (0,5-0,6)hмод, а на відстані (8-10)rо, від осі зарядів на глибину0,5hмод встановлюють п'єзоелектричні давачі, після набору попередньої міцності моделі з неї виймають вставки і витримують до максимальної міцності, потім у порожнині формують заряд вибухової речовини, встановлюють ініціатор, герметизують набійкою і підривають, по отриманих показниках амплітудних значень максимальних механічних напружень в хвилі стискання, знятих з давачів, перетворюються в електричні сигнали, які кодуються і передаються на цифровий осцилограф, а по осцилограмах обчислюють максимальні механічні напруження за формулою,  20 CU , d33 Sд причому, параметри, які характеризують якість дроблення моделі зарядом ВР різної форми оцінюють методом ситового аналізу, де C - електрична ємність п'єзодавача (Ф), d33 - його п'єзомодуль (К/Н), S д - площа поверхні давача, нормально розташованого в напрямку хвилі 2 напружень від вибуху заряду ВР (м ), hмод - розмір грані моделі, rо - радіус заряду. 4 UA 96509 U 5 UA 96509 U 6 UA 96509 U 7 UA 96509 U 8 UA 96509 U 9 UA 96509 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10