авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Влияние диссипации энергии в волне напряжений на параметры распределения грансостава в отдельных зонах взрывного разрушения горных пород

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи



Бровин Виталий Евгеньевич





Влияние диссипации энергии в волне напряжений на параметры распределения грансостава в отдельных зонах взрывного разрушения горных пород



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





Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук













Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Менжулин Михаил Георгиевич


Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Куксенко Виктор Степанович


кандидат технических наук, доцент

Чернобай Владимир Иванович


Ведущее предприятие ООО «Берг-Проект».





Защита диссертации состоится 17 июня 2009 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1160.

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

Автореферат разослан 15 мая 2009г.


УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета,

д.т.н., профессор Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. При действующих технологиях открытых горных работ наблюдается большой выход мелкодисперсных фракций, составляющих отсев и достигающий 30%, и негабарита (в среднем 8-10 %). Для дробления последних шпуровыми или накладными зарядами приходится применять дополнительное количество взрывчатки или энергии.

Большой вклад в исследования процессов разрушения горных пород, формирования и распространения волны напряжений в массиве горных пород при взрыве зарядов ВВ внесли ученые России, в их числе: Е.И Шемякин, Я.Б. Зельдович, Б.В. Замышляев, А.В. Адушкин, В.Н. Радионов, И.А. Сизов, Ф.А. Баум, Б.И. Шехтер, М.Г. Менжулин, Н.М. Кузнецов и др. Однако действие взрыва в области до 10 радиусов заряда исследовано недостаточно.

Значительные потери энергии взрыва (до 70% и более) происходят в области от 1 до 10 радиусов заряда. Это вызывает наиболее сильное дробление породы с образованием кусков малых размеров. Данный диапазон расстояний составляет незначительную часть зоны разрушения, но по процессам потерь энергии и формировании мелкодисперсных фракций эта зона является определяющей в переизмельчении горной породы. К сожалению, этой области было уделено слишком слабое внимание в существующих работах. Поэтому разработка методов оценки потерь энергии и её учёта при взрыве ВВ с различными детонационными характеристиками является актуальной задачей.

Существенная часть энергии при взрывном разрушении необратимо расходуется на нагревание частиц породы в ближней зоне. В последующем эта доля энергии переходит в формирование трещин, избыточного количества микротрещин и представляет собой диссипативные потери.

Таким образом, на формирование механических возмущений расходуется только небольшая часть энергии взрыва. Поэтому, решая задачи об образовании и распространении волн напряжений, необходимо иметь в виду эффекты диссипации энергии.


Цель работы. Уменьшение выхода некондиционных фракций при ведении взрывных работ на карьерах.


Основные задачи работы:

  1. Изучение влияния диссипации энергии на параметры волны напряжений.
  2. Разработка метода и оценка зон дробления и трещинообразования с учетом энергии диссипации и её влияния на взрывные нагрузки.
  3. Разработка метода и определение параметров по преломлению детонационной волны в горные породы при взрыве различных типов ВВ и формировании продольных и объёмных ударных волн.
  4. Разработка метода и оценка параметров волн напряжений в горных породах с учётом влияния энергии диссипации при взрыве различных типов ВВ.
  5. Определение толщин и количества откольных слоёв при распространении волны разрежения.


Основная идея работы. Снижение затрат энергии взрыва на диссипативные потери, и следовательно снижение потерь минерального сырья за счёт образования мелких фракций и негабаритов, рекомендуется осуществлять на основании выбора детонационных параметров ВВ, совершенствования параметров буровзрывных работ и создания контурной трещины за последним рядом типовых скважин.

Научная новизна работы:

  • Установлена закономерность влияния детонационных характеристик ВВ на энергию диссипации, позволяющая производить выбор взрывчатых веществ, которые обеспечивают минимизацию потерь энергии на переизмельчение и нагревание.
  • Определен метод учета характеристик ударной сжимаемости и статической разгрузки при преломлении детонационных волн в окружающую среду и формировании продольных и объемных волн.

Основные защищаемые положения:

  1. С целью снижения выхода мелкодисперсных фракций и расхода ВВ следует уменьшать энергию диссипации, за счёт применения зарядов с пониженными детонационными характеристиками.
  2. Параметры волн напряжений в области разрушения горных пород следует определять на основании расчёта давления на фронте ударной волны на стенке взрывной полости и учёта энергии диссипации на всех расстояниях от заряда, а также с применением теории энергетического подобия.
  3. Для снижения выхода негабаритов необходимо создание контурной трещины за последним рядом типовых скважин, которая образует гладкую поверхность откола и увеличивает зону разрушения за последним рядом типовых скважин.

Методы исследования. Использовались методы теории распада произвольного разрыва, закономерности распространения продольных и объёмных волн. Методы расчёта гранулометрического состава в отдельных зонах разрушения. Экспериментальные методы оценки гранулометрического состава.

Достоверность научных положений обосновывается большим объёмом работ по сопоставлению гранулометрического состава в отдельных зонах взрывного разрушения с известными экспериментальными и теоретическими результатами, достаточной сходимостью в пределах погрешности измерений расчетных данных с результатами производственных экспериментов.

Практическая значимость работы:

  • разработан метод выбора типа ВВ, обеспечивающего уменьшение необратимых потерь энергии при взрыве;
  • разработан метод выбора параметров буровзрывных работ, позволяющий снижать выход мелкодисперсных фракций и негабаритов.

Личный вклад автора. Заключается в решении задач по преломлению детонационной волны в окружающую среду и распространению в ней продольных и объёмных волн. В расчётах энергии диссипации при распространении волн напряжений и оценке энергетической эффективности взрывов. В доказательстве эффективности применения контурной трещины с целью уменьшения выхода не габаритных фракций.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» 2005 г.-2007 г. (СПГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург), симпозиуме «Неделя горняка-2006» 2006г. (МГГУ, г.Москва), заседаниях кафедры Безопасности производств и разрушения горных пород и НТС СПГГИ (ТУ).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы (все работы входят в Перечень ВАК Минобрнауки России).


Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка и изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 16 таблиц.

Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук, академику Менжулину Михаилу Георгиевичу, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; а также другим сотрудникам кафедры Безопасности производств и разрушения горных пород за содействие в сборе материалов и практические советы при написании диссертации.

Основное содержание работы


В первой главе диссертационной работы представлено современное состояние изученности процесса формирования зон разрушения горных пород и распространения волн напряжений во времени. Сделан обзор методов прогноза гранулометрического состава взорванной горной массы. Определены цели и задачи исследований.

Во второй главе представлены теоретические исследования процесса преломления детонационной волны в окружающую среду.

В третьей главе предложена методика расчёта энергии диссипации.

В четвертой главе описано применение контурного взрывания для увеличения эффективности взрыва и снижения выхода негабаритных фракций.

Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых положениях:

  1. С целью снижения выхода мелкодисперсных фракций и расхода ВВ следует уменьшать энергию диссипации, за счёт применения зарядов с пониженными детонационными характеристиками.

Существенная часть энергии (до 70%) при взрывном разрушении необратимо расходуется на нагревание частиц породы в ближней зоне и представляет собой диссипативные потери. Следствием интенсивных диссипативных процессов является повышение температуры и развитие наведённой микротрещиноватости в деформируемой взрывом среде.

Существенная доля энергии остаётся в полости взрыва в виде внутренней энергии продуктов детонации и тоже может быть отнесена к диссипативным потерям. Таким образом, на формирование механических возмущений расходуется только часть энергии взрыва. Поэтому, решая задачи об образовании и распространении волн напряжений, необходимо иметь в виду эффекты диссипации энергии.

При действии волн напряжений на некоторый выделенный объем, нагрузка носит динамический характер до достижения максимальных значений напряжений, после чего происходит статическая разгрузка до нормальных напряжений. Вследствие разности кривых нагрузки и разгрузки в частицах остаётся часть энергии.

При ударном сжатии параметры состояния среды изменяются от начальных ро и о до фронтовых рф и . На графике (рисунок 1) эти состояния обозначены соответственно точками А и А'. В соответствии с уравнением Гюгонио внутренняя энергия частиц на фронте

, (1)

т.е. приращение энергии равно площади треугольника АА'В. После прохождения фронта происходит разгрузка частиц, и давление снова уменьшается от рф до ро. Такое уменьшение давления происходит адиабатически, адиабата разгрузки описывается некоторой кривой А'СА, всегда расположенной ниже прямой АА'.

Энергия разгрузки

, (2)

т.е. она равна площади, заключённой между отрезками АВ и А'В и кривой А'СА.

Таким образом, существует разность между энергией, запасённой на фронте и энергией разгрузки. Эта разность энергии равна площади, ограниченной прямой АА' и кривой А'СА (на рисунке 1 заштрихована), и называется энергией диссипации. Она является остаточной внутренней энергией частиц после прохождения фронта и восстановления давления до невозмущённого состояния. Температура таких частиц выше невозмущённых.

Зависимость p(V) на адиабате разгрузки тем больше отличается от линейной, чем больше пористость среды. Поэтому тепловые потери при распространении волн напряжений увеличиваются вместе с пористостью. Тепловые потери существенно растут с увеличением давления (или напряжения) на фронте ударной волны или максимальных нагрузок в волне напряжений.

Удельная энергия диссипации представляет собой разность удельных энергий нагрузки eн и разгрузки ep:

(3)

где – энергия, расходуемая на трещинообразование.

В ближней зоне взрыва процесс нагрузки может быть описан в упругом, совпадающем с гидродинамическим, приближении. Удельная энергия нагрузки на основании условий динамической совместности равна:

(4)

Удельная энергия разгрузки определяется уравнением

(5)

Полная энергия диссипации на единицу длины, определяемая по всем частицам внутри возмущённой области для цилиндрического заряда

(6)

При преломлении детонационной волны в горную породу в ней формируется ударная волна.

При отсутствии энергии диссипации зависимость определяется формулой

(7)

При наличии энергии диссипации вводится понятие эффективного радиуса. Для цилиндрического заряда он будет равен

(8)

Полная выделившаяся энергия при взрыве цилиндрического заряда

(9)

Тогда, максимальное напряжение с учётом введения эффективного радиуса

, (10)

где .

На рисунке 2 представлены графики построенные с использованием уравнения (6). Как видно из графиков, сходимость результатов решения обратной задачи и расчёт по описанной схеме для тэна хорошая, что в свою очередь даёт возможность считать данный метод нахождения энергии диссипации достаточно точным. Игданит, как ВВ с наиболее низкими детонационными характеристиками меньше всего теряет энергию взрыва, что и отражено на графиках (кривая расположена ниже остальных типов ВВ).

1 – экспериментальные данные (обратная задача ВВ-тэн)

2 – данные полученные с помощью расчёта (ВВ-тэн)

3 – данные полученные с помощью расчёта (ВВ-граммонит 79/21)

4 - данные полученные с помощью расчёта (ВВ-игданит)

Рис. 2. Зависимость доли энергии диссипации по отношению к полной выделенной энергии зарядов различных ВВ

  1. Параметры волн напряжений в области разрушения горных пород следует определять на основании расчёта давления на фронте ударной волны на стенке взрывной полости и учёта энергии диссипации на всех расстояниях от заряда, а также с применением теории энергетического подобия.

При преломлении детонационной волны в горной породе формируются продольные и объёмные ударные волны. Параметры ударных адиабат таких волн определяются на основании условий динамической совместности и экспериментальных данных по ударной сжимаемости горных пород.

С использованием этих данных в работе получены соотношения, позволяющие определять параметры ударных волн на стенке взрывной полости.

Нормальное падение фронта детонационной волны на стенку взрывной камеры может быть рассмотрено на основании общих положений теории распада произвольного разрыва.

После преломления детонационной волны в окружающую твердую среду в последней возникает двухволновая картина. Первой распространяется упругая продольная волна, скорость которой составляет Cp. За ней следует волна объемного сжатия со скоростью Cv. Величины Cp и Cv связаны соотношением

, (11)

где – коэффициент Пуассона.

На рисунке 3 представлены годографы R(t) для обеих волн - продольной и объемной, распространяющихся от поверхности заряда. Для упругой волны справедливо соотношение:

, (12)

которое может рассматриваться как ударная адиабата.

Для плавленого кварца и горных пород регистрируется только одна волна с плавным нарастанием напряжений до максимума и последующим спадом. Можно предположить, что и в этом случае распространяются продольные и объемные волны, однако особенности строения горных пород способствуют формированию протяженной области нарастания напряжений до максимума и отсутствию фронтов ударных волн. Горные породы представляют собой полиминеральные конгломераты, состоящие из разнотипных минеральных зерен различных размеров и формы. Минеральные зерна скреплены цементирующими прослойками различных составов.

Все это создает большую неоднородность среды, способствующей возникновению различных значений локальных напряжений и скоростей распространения возмущений, их взаимодействию с неоднородностями и друг с другом. Тем не менее, можно считать, что наиболее быстрые возмущения обусловлены продольной волной. Для обеих этих волн существуют свои ударные адиабаты. Для продольной упругой волны ударная адиабата описывается формулой. Для волны объемного сжатия на основании многочисленных экспериментальных данных ударную адиабату горной породы можно принять в виде:

, (13)

где ; Г – коэффициент Грюнайзена: ,  - коэффициент объёмного теплового расширения ; - коэффициент сжимаемости, .



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.