Короткозамедленное (миллисекундное) взрывание зарядов взрывчатых веществ

В практике взрывных работ применяются три способа взрывания зарядов: мгновенный, замедленный и короткозамедленный.

При мгновенном взрывании все заряды взрывчатых веществ  взрываются одновременно и в одинаковых первоначальных условиях. Взрывание производится с помощью электродетонаторов мгновенного действия или детонирующего шнура. Основное разрушительное действие взрыва при этом проявляется по линии наименьшего сопротивления. Действие взрыва в сторону соседнего заряда равноценно действию одиночного заряда, так как не образуется новая дополнительная свободная поверхность. Поэтому часть породы, находящаяся на линии, соединяющей центры соседних зарядов, подвергается действию только прямой ударной волны сжатия, которая не может разрушить горную породу на большом расстоянии.

Для полного разрушения участка породы заряды взрывчатых веществ при мгновенном взрывании располагают на расстояниях, намного превышающих длину линии наименьшего сопротивления. В этих случаях ударные волны от взрывов соседних зарядов, двигаясь навстречу друг другу и взаимодействуя, производят суммарное действие.

Наибольший эффект взаимодействия соседних зарядов при мгновенном взрывании проявляется в более мелком дроблении горной породы вблизи заряда.

При замедленном взрывании зарядов (электродетонаторами замедленного действия, электрозажигательными трубками, патрончиками и т. д.) интервалы времени между отдельными взрывами настолько значительные, что упругие колебания частиц породы успевают полностью воздействовать на окружающую среду. В этом случае никакого взаимодействия ударных волн не происходит: каждый взрыв можно рассматривать как одиночный. Однако действие взрыва каждого последующего заряда ослабляется наличием дополнительной открытой свободной поверхности, образовавшейся при взрыве предшествующего заряда. В результате этого создаются благоприятные условия для большого отрыва горной массы от массива. При этом участки породы, наиболее отдаленные от места взрыва, подвергаются меньшему воздействию сил, и порода измельчается меньше, чем при мгновенном взрывании.

Благодаря непрерывному совершенствованию технологии взрывных работ в последние годы создан новый способ коротко-замедленного (миллисекундного) взрывания (КЗВ), в котором объединены преимущества мгновенного и замедленного взрывания. При этом способе заряды взрываются последовательно через малые промежутки времени (миллисекундные интервалы замедления), благодаря чему внутри массива создаются дополнительные плоскости разрушения, обусловливающие высокую степень дробления пород и лучшие показатели взрыва. Интервалы замедлений для определенных условий выбирают с таким расчетом, чтобы очередные взрывы происходили в начале развития трещин в момент возникновения максимальных напряжений в массиве.

Схему короткозамедленного взрывания можно представить в виде последовательных периодов:
1 период — образование зон разрушения и колебаний при мгновенном взрыве первого заряда;
2 период — образование зоны напряжения в радиусе действия первого заряда и зон деформаций вокруг второго заряда;
3 период — образование трещин вокруг первого заряда, создание зоны напряжения в сфере действия второго заряда и образование зон деформаций в сфере влияния взрыва третьего заряда;
4 период — движение части массива от действия взрыва первого заряда, образование трещин вокруг второго заряда, создание зоны напряжения в сфере действия третьего заряда и появление зоны деформации от взрыва четвертого заряда. В отличие от обычных замедленных взрывов (с интервалами 0,5; 1; 1,5; 2 сек и т. д.) при этом способе большая часть энергии взрыва расходуется на дробление и отрыв породы, так как каждый последующий взрыв заряда происходит в массиве, находящемся в напряженном состоянии от предыдущего взрыва. При короткозамедленном взрывании эффективное разрушение среды обеспечивается взаимодействием зарядов внутри массива.

Одновременно с совершенствованием способа короткозамедленного взрывания создавались приборы-переключатели для регулирования посылки импульсов тока в электродетонаторы мгновенного действия с заданными интервалами замедления, различные электрические схемы и детонационные реле и специальные электродетонаторы с пиротехническими замедлителями. В СССР выпускались электродетонаторы короткозамедленного действия с нихромовыми мостиками с замедлениями 0; 25; 50; 75; 100; 150; 250 мсек.

По известной теории действия взрыва заряда в среде при любом способе взрывания массив разрушается, во-первых, вследствие динамического удара от детонации заряда и, во-вторых, в результате действия статического давления взрывных газов, которые распространяются по трещинам и щелям, образовавшимся в породе под действием динамического удара, и вызывают дальнейшее дробление крупных кусков.

При одновременном (мгновенном) взрыве серии зарядов или при последовательном взрыве ряда зарядов со значительными (секундными) интервалами замедления между отдельными взрывами порода подвергается воздействию взрыва только один раз. При взрывах с минимальными интервалами замедления между взрывами каждый участок массива подвергается действию взрывных волн, по крайней мере, дважды или несколько раз.

Дополнительное дробление при взрывах с миллисекундными интервалами замедления между отдельными взрывами обусловлено также столкновением кусков отбитой породы, так как порода, отбиваемая при первом взрыве, только начинает свое движение, когда взрываются смежные заряды. При этом способе породу можно направить в любом направлении. Если взрыв начинать со среднего заряда, двигаясь к обоим концам ряда, порода будет отбрасываться от концов к середине. Если необходимо породу отбросить к одному из концов ряда, взрывы следует производить именно с этого конца. При мгновенном взрыве серии зарядов такое направленное отбрасывание породы невозможно, так как вся масса будет двигаться под прямым углом к груди забоя.

Существует несколько гипотез объяснения природы коротко-замедленного взрывания. Согласно одной из гипотез, эффект короткозамедленного взрывания обусловлен тем, что заряды работают при наличии дополнительно образовавшихся свободных поверхностей от взрывов предыдущих зарядов, а также столкновением кусков в процессе развития взрыва. Согласно другой гипотезе, участок породы в сфере действия первого взрыва не успевает сдвинуться с места до момента взрыва соседнего заряда.

С нашей точки зрения, эффект короткозамедленного взрывания обусловливается взаимодействием ударных волн, вызывающих дополнительное вибрационное разрушение. При взрыве заряда взрывчатых веществ в шпуре или скважине давление газов возрастает настолько быстро, что происходит динамический удар, в результате чего возникают упругие колебания частиц породы. Упругие колебания в горных породах распространяются со скоростью 3000—5000 м/сек, причем частота их сравнительно невелика (5—25 периодов в 1 сек). Приняв в среднем частоту колебаний 10 периодов в 1 сек, получим длину волны около 300—500 м, следовательно, соседние шпуры при взрыве зарядов взрывчатых веществ должны находиться в одной фазе.

Рис. 100. Распределение усилий при мгновенном (а) и короткозамедленном (б) взрывании

При последовательном короткозамедленном взрывании зарядов (рис. 100,6) балка оказывается закрепленной только на одной опоре и в нижней части подвергается сжимающим усилиям, вызывающим значительное дробление породы. Гипотеза сгибающейся балки не раскрывает сущности короткоза-медленного взрывания зарядов. Некоторые исследователи в последнее время стали считать, что в результате детонации заряда в породе вокруг заряда распространяется волна давления (или волна сжатия). В местах соприкосновения взрывчатого вещества с окружающей средой развивается наиболее высокое давление, чем и обусловлено чрезмерное дробление породы.

При перемещении взрывной волны в глубь массива разрушительное действие взрыва уменьшается и постепенно прекращается. Если заряд взрывают вблизи свободной поверхности, то волна давления, достигнув этой поверхности, отражается от плоскости соприкосновения массива с воздушной средой и превращается в волну растяжения.

В твердых горных породах сопротивление растяжению гораздо меньше сопротивления сжатию и отраженная от свободной поверхности волна вызывает разрушение массива. Последующее разрушение массива происходит под действием прорыва продуктов взрыва по линии наименьшего сопротивления. Скорость отрыва кусков породы уменьшается по мере удаления от свободной поверхности к центру расположения заряда.

Авторы этой теории утверждают, что сущность работы расширяющихся газов заключается в перемещении, согласно законам внутренней баллистики, горной массы, уже разрушенной ударной волной, и считают, что прочность горных пород при сжатии непостоянна и является линейной функцией бокового распора.