Trhací práce a jejich vliv na stabilitu závěrných lomových stěn

Ing. Josef Bartoš, Ing. Milan Těšitel, Ing. Pavel Barták,
Ing. Vladislav Adamík , CSc, Petr Vlček, Bc.
V 9
TRHACÍ PRÁCE A JEJICH VLIV NA STABILITU ZÁVĚRNÝCH
LOMOVÝCH STĚN (PROJEKT Č. 58-07)
Anotace
Příspěvek pojednává o dosahu rozrušovacího účinku vln napětí, vyvolaných
detonací výbušnin ve skalních horninách a o možnostech jeho zkrácení. Jsou uvedeny
výsledky matematického modelování výbuchových dějů a dosahy rozrušení hornin
napěťovýbuchovými vlnami, zjištěné měřeními ve tvrdých horninách a v modelovém
betonovém bloku.Teoreticky je odůvodněno a praktickými pokusy ověřeno utlumení
rozrušovacích účinků napěťovýbuchových vln pomocí uměle vytvořené štěrbiny plochy
diskontinuity (impedanční bariéry).
Abstract
Supply is about a range of a breaking up effect of the intensity waves, which are
invoked by a detonation of the explosives in the rocks and about the possibilities of its
contraction. The results of a mathematical simulation of the blasting processes and the
range of the breaking up in the rock by the intensity-detonation waves are noted here.
These results were determined by the measurement in the hard rocks and in the modelling
concrete block. An absorption of the braking up effects of the intensity-detonation waves
by means of a artificially made fissure of the surface discontiunity (impedance barriers) is
theoretically sustained and by the practically experimentations attested.
1. Principy působení detonace táhlých náloží výbušnin horninovém prostředí
Teprve začátkem 40. let minulého století byly položeny základy dnešní vlnové teorie
rozpojování hornin výbuchem. Základem této teorie bylo poznání procesu detonace
trhaviny ve vývrtové náloži a popis rázových vln, šířících se v pevném prostředí jako
napěťové tlakové vlny (napěťovýbuchové vlny). V ideálně izotropním prostředí se
napěťovýbuchové vlny šíří od místa svého vzniku v kulových vlnoplochách. Pokud tyto
vlny dosáhnou k volné ploše (volným plochám), dochází k jejich zpětnému odrazu do
masivu formou tahových vln. Tyto napěťovýbuchové vlny jsou základní příčinou rozpojení
horniny. Vlnová teorie rozpojování detonací trhaviny měla v počátcích řadu odpůrců (jako
konec konců každá nová teorie). Experimenty, provedené v minulém století v bývalém
SSSR (Chanukajev a kol.) a v USA (Livingstone a kol.) jednoznačně prokázaly vlnový
charakter procesu rozpojení.
Uvedení autoři umístili poměrně velké nálože trhaviny do silnostěnného kovového
pouzdra, které spolehlivě zabránilo úniku plynných zplodin výbuchu, toto pouzdro vložili do
vývrtu v hornině a provedli odstřel, přičemž experimentálně prokázali vznik radiálních i
podélných trhlin v horninovém masivu, jehož původ byl nutně ve volném charakteru
detonačního procesu /1/. Tak byly položeny základy dnes uznávané a rozpracované teorie
rozpojování hornin výbuchem, která se nazývala též teorií odštěpu. Je samozřejmé, že
kromě detonující trhaviny se na procesu rozpojení podílí vlastní horninový masiv, resp.
jeho geologické a pevnostní charakteristiky. Každá reálná hornina je výrazným
anizotropním prostředím, v němž se vlny napětí nepravidelně šíří všemi směry. Skutečné
horninové masivy jsou prostoupeny plochami diskontinuit, na kterých dochází k odrazu a
průchodu napěťovýbuchových vln. Anizotropie hornin, jejich geologické uložení a
přirozená zrnitost mají zásadní význam na způsob provádění trhacích prací soustavou
vývrtových náloží trhavin na povrchu i v podzemí.
Jako jednu z nejjednodušších modelových představ k řešení těchto problémů lze
použít zevšeobecněných závěrů ze zákonitostí o šíření elastických vln /2, 3/. Pro šíření
elastických vln (podélných i příčných) platí zákony akustiky. Rychlost jejich šíření závisí
pouze na modulu pružnosti a hustotě prostředí a je pro daný materiál v mezích platnosti
lineární formy Hookova zákona konstantní. Rozsáhlý pokusný materiál ale dokazuje, že
snahy zevšeobecnit poznatky ze šíření elastických vln pro všechny případy trhací techniky
nemohou být úspěšné a že přesné řešení daných úloh musí vycházet z individuálních
charakteristik a vlastností jednotlivých daných látek.
Rozhodujícím mechanismem porušení pevnostních charakteristik stavebněmechanických jednotek horninového masivu detonací výbušnin je odraz vln napětí od
volné plochy, resp. od plochy diskontinuity. Tlakové vlny se šíří horninou od místa výbuchu
nálože a jakmile dosáhnou odrazové plochy, zčásti procházejí dál a zčásti se odrážejí
zpět a vracejí se jako vlny tahové. Při postupu vln napětí od nálože k volné ploše byla
hornina namáhána na tlak, odraženými vlnami od volné plochy je pak hornina namáhána
na tah.
Tentýž princip platí i při existenci ploch diskontinuity v quasi neohraničeném
horninovém masivu. Poměr procházející a odrážené vlny závisí na rozdílu akustických
impedancí změn v horninovém prostředí.
U většiny hornin je pevnost v tahu dvanáct až dvacetkrát menší než pevnost v tlaku.
Proto se po odrazu vln napětí od volného povrchu oddělují vrstvy horniny postupně od
povrchu do masivu překonáváním pevnosti v tahu /5, 6/.
Kromě volného povrchu se jako rozhraní, na němž se odrážejí vlny napětí,
uplatňují, jak již bylo zmíněno, též střihy a pukliny v hornině, mezivrstevní spáry, trhliny a
podobně. Proces je ovšem značně složitý. Vznikají různé formy tahového a smykového
namáhání horniny a nastává i vzájemné působení několika vln napětí.
V současné době lze teorii rozpojování hornin výbuchem a některých souvisejících
jevů velmi stručně charakterizovat takto:
•
•
•
Po iniciaci nálože se v trhavině šíří stabilní detonační rázová vlna, následovaná
reakční zónou a expanzní vlnou. Tento systém působí na okolní horninu. Prvním
projevem detonační přeměny výbušniny v pevném prostředí, např. ve vrtu, je
dynamický ráz na stěny vrtu. Protože tento detonační resp. výbuchový ráz (tlak
vzniklý v rozšiřující se dutině vývrtu) mnohonásobně překračuje pevnostní
charakteristiky horniny (hodnoty řádu 103 – 104 MPa), hornina je v blízkém okolí
vývrtu drcena a silně stlačována rázovou vlnou, která se šíří nadzvukovou rychlostí.
Tato zóna se označuje jako zóna drcení a tangenciálních trhlin, jejíž dosah bývá
různými autory hodnocen na 3 – 5 poloměrů použité nálože v závislosti na typu
trhaviny, poměru rázové impedance trhaviny a akustické impedance horniny.
Dráha detonační (rázové) vlny je poměrně krátká a vlna vystupuje do pevného
prostředí přes impedanční bariéru trhavina/hornina v podobě deformační
napěťovýbuchové tlakové vlny, pro kterou je typická rychlost šíření zvuku
v příslušné hornině. Vlny napětí postupují dále a hornina je stlačována v radiálních
směrech a natahována ve směrech tangenciálních, čímž se vytvářejí podmínky pro
vznik radiálních trhlin ve směrech od nálože. Zóna radiálních trhlin má dosah 15 –
50 poloměrů nálože, přičemž tato hodnota závisí především na typu a geologickém
uložení horninového masivu.
Jakmile čelo napěťové vlny dosáhne volnou plochu (fázové rozhraní
horniny/vzduch), pouze velmi malá část napěťových vln přejde do vzduchu ve
2
•
•
formě rázových (spíše akustických) vln a převážná část vln se odrazí zpět do
masivu s opačnou amplitudou jako vlna tahová (či vlna zředění), která - v důsledku
skutečnosti, že tahová pevnost je řádově menší než tlaková pevnost horniny –
způsobí vznik dalších trhlin a horninový masiv je „odštěpován“ od volné plochy
(proto název teorie odštěpu).
V důsledku odštěpového efektu vzniká oblast horniny, vymezená radiálními
trhlinami, které jsou orientovány na obě strany od vývrtové nálože a jsou symetricky
k záběru, tj. přímce nejmenšího odporu horninového masivu (kolmá vzdálenost vrtu
od volné plochy). Stupeň rozrušení horninového masivu je přímo úměrný počtu
trhlin, vzniklých odraženou vlnou napětí od volné plochy a podílí se rozhodující
měrou na budoucí fragmentaci rozpojené horniny.
Za hranicí výlomu směrem do horninového masivu zůstává hornina nerozpojena, je
však prostoupena radiálními i tangenciálními trhlinami, které vznikly účinkem
energie napěťovýbuchových vln, které se z místa svého vzniku všesměrně šíří
horninovým masivem.
•
Posledně uvedený jev, zejména při opakovaných těžebních odstřelech v blízkosti
míst nově vytvářených závěrných stěn, snižuje výrazně přirozenou soudržnost skalních
stěn a způsobuje nestabilitu závěrných stěn likvidovaných kamenolomů.
2. Zvýšení stability závěrných stěn kamenolomů omezením rozrušovacího působení
napěťovýbuchové vlny ve směru do předpolí lomu
Prvním předpokladem omezení nežádoucího působení napěťovýbuchové vlny je
zjištění dosahu jejího rozrušovacího účinku, se současným vytvořením umělé plochy
nespojitosti (impedanční bariéry), která v maximální míře zajistí odraz napěťovýbuchové
vlny zpět k místu jejího vzniku a omezí prostup vlny do prostoru za impedanční bariérou.
K největšímu odrazu napěťovýbuchové vlny dochází na rozhraní prostředí, která se
vyznačují co největším rozdílem hodnot akustických impedancí. Je-li tedy akustická
impedance definována jako součin rychlosti šíření vlny s hustotou prostředí, ve kterém se
šíří (kg m-2 s-1), pak je patrno, že jeden z největších rozdílů akustických impedancí je podle
/5/ mezi vzduchem (I ak = 0,000425) a horninou (např. žula apod. kolem hodnoty I ak =
17,00). Musí tedy nejúčinnější impedanční bariéra obsahovat, pokud lze, vzduchem
vyplněnou mezeru ve vztahu ke skalním horninám.
3. Experimentální zjišťování rozrušovacího dosahu napěťovýbuchové vlny
Jak vyplývá z výše uvedené teorie rozpojování hornin výbuchem, vlny napětí,
vyvolané detonační přeměnou výbušniny, se šíří horninou (za zjednodušujícího
předpokladu izotropie prostředí) formou kulových vlnoploch, a to s postupným snižováním
velikosti rozrušovací energie na čele vlny. V určité vzdálenosti od centra výbuchu, která je
dána funkcí poloměru resp. průměru detonující nálože, je rozrušovaní účinek
napěťovýbuchových vln tak malý, že nedojde již k překonání žádné z pevnostních
charakteristik stavebně-mechanických jednotek horského masivu. Zde končí rozrušovací
účinek napěťovýbuchové vlny (oblast nevratných deformací) a dále se šířící vlny způsobují
jenom kmitáni pohoří (oblast pružnoplastických deformací). Detonací táhlé nálože se do
určité vzdálenosti vytvoří zóna porušení (nevratných deformací) horského masivu,
vymezená válcovou plochou (v izotropním prostředí), zakončenou příslušnou částí kulové
vlnoplochy.
Na vzniku trhlin v horninách se tedy zásadně podílí tangenciální tenzor energie na
čele podélné vlny napětí. Velikost tohoto tenzoru činí cca 1/5 energie na čele podélné vlny
napětí a touto energií je hornina namáhána na tah.Tahová pevnost hornin činí cca 1/10 až
1/15 její pevnosti tlakové. Aby tedy došlo ke vzniku nevratných deformací, musí být
3
splněna podmínka, že v daném místě bude hodnota energie tangenciálního tenzoru
podélné vlny napětí větší než pevnost hornin v tahu.
3.1 Matematický model
Pomocí numerické simulace rozrušení horniny detonací nálože trhaviny v různých
variantách (solitérní nálož, spolupůsobící nálož, neexistence nebo existence plochy
nespojitosti) byly získány tyto nejzajímavější výsledky:
• podle výsledku matematického modelování dosahuje oblast tlakového
porušení napěťovýbuchovou vlnou do vzdálenosti 12ti násobku průměru (d)
nálože trhaviny (obr. 1), oblast porušení tahovým účinkem napěťovýbuchové
vlny začíná ve vzdálenosti 36 d (obr. 2) a končí ve vzdálenosti 44 d (obr. 3).
• vliv plochy nespojitosti
(štěrbiny impedanční bariéry) na šíření
napěťovýbuchové vlny je dobře pozorovatelný na obr. 4. Před impedanční
bariérou je patrný zesílený tahový účinek odražené tlakové vlny, který
dosahuje téměř hodnoty rozrušení tlakovou vlnou v menší vzdálenosti od
centra výbuchu. Za plochou nespojitosti nebyla porušení zaznamenána. –
viz obr. č. 4.
Dosažené výsledky byly dále ověřovány experimentálními odstřely in situ ve
vybraných lomech.
3.2 Experimentální zjišťování dosahu porušení horninového masivu detonací
výbušnin in situ
3.2.1 Metody sledování porušenosti horninového masivu
Pro sledování stavu horninového masivu před odstřelem a jeho změn po odstřelu
byly používány
• metoda seismické tomografie a refrakční seismiky
• metoda mikroseismokarotáže
• metoda seismického měření
• metoda ultrazvukového prosvěcování
• kamerový monitoring vrtů
• vizuální pozorování a video a fotodokumentace
• měření detonační rychlosti explodující trhaviny
• projekce do digitálního modelu terénu
Detailnější popis jednotlivých používaných metod se vymyká z rámce tohoto
příspěvku. Smyslem všech metod bylo zjistit stupeň a dosah porušení horninového masivu
výbuchem táhlé nálože trhaviny, v závislosti na jejím průměru a výbušinářských
charakteristikách.
3.2.2 Odstřely ve vápencových horninách
V průběhu řešení byly pro reprodukovatelnost získaných výsledků prováděny
odstřely pouze v jedné hornině a především na jedné lokalitě, na lomu Čeřinka patřící
s.r.o. Lomy Mořina. Na fotografii obr. č. 5 je jeden z provedených odstřelů.
4
3.2.3 Odstřel v pískovcové hornině s vytvořením štěrbiny impedanční bariéry
pomocí obrysového předstřelení
Uvedené experimenty byly provedeny v pískovcovém lomu Podhorní Újezd patřící
s.r.o. Kámen Ostroměř. Na fotografii obr. č. 6 je příprava náloží z bleskovice, kterými byly
vytvořeny před odstřelem „hlavních náloží“ impedanční bariéry.
3.2.4 Odstřely v betonových blocích včetně vytvoření štěrbiny impedanční bariéry
pomocí obrysového předstřelení
Pro zajištění maximální možné homogenity při ověřování geometrického dosahu
vlivu detonace náloží trhaviny byly vyrobeny i dva betonové modely. Na fotografii obr. č. 7
je měření metodou ultrazvukového prosvěcování po provedeném odstřelu 3 modelových
náloží a zřetelná impedanční bariera vytvořená předcházejícím odpálením odlehčených
náloží vytvořeného ze svazku 3 bleskovic Startline 12.
3.3 Stručné shrnutí experimentálních výsledků
Měřeními před a po odstřelu byly prokázány kvalitativní změny horninového masivu
i mimo oblast bezprostředního rozpojovacího procesu detonační výbuchovou energií, což
je jedním z důležitých poznatků. Tento poznatek přispívá k vyhocnocení souvztažnosti
teoretických výsledků spolupůsobení detonujících náloží metodou matematického
modelování s výsledky, dosahovanými při reálných odstřelech v horninách, potvrzuje, že
dosah porušení horninového masivu je funkcí průměru detonující nálože a potvrzuje i
správnost vlnové teorie rozpojování hornin detonací výbušnin.
Výsledky pozorování projevů detonace náloží při experimentálních odstřelech
ukázaly, že tlaky v blízkosti náloží jsou neobyčejně vysoké (v kontaktu detonující
výbušniny s horninou dosahuje detonační tlak hodnoty v řádu desítek tisíc MPa), což
prokázaly např. totální devastace stěn horniny vrtů v místě detonujících náloží nevelké
hmotnosti, které znemožnily opětovné proměření vrtů metodou optické karotáže. Měřením
bylo prokázáno (např. metodou ultrazvukového prosvěcování), že enormně vysoké tlaky,
způsobující ve výbuchové dutině až plazmatický tok horniny, klesají rychle s rostoucí
vzdáleností od centra detonace až k nulovým hodnotám. Měření současně prokázala, že
původně stabilní rázová vlna se s poklesem přetlaku mění na vlnu pružnoplastickou, která
při dalším poklesu tlaku v závislosti na vzdálenosti od centra detonace klesá až na vlnu
pružnou; uvedené druhy vln už nezpůsobují nevratné detonace horniny v okolí nálože.
Výsledky in situ měření účinků experimentálních odstřelů, prokazují dobrou korelaci
s výsledky matematického modelování sousedních detonujících náloží.
Rovněž byl měřeními prokázán vliv uměle vytvořené (obrysovým předstřelením)
štěrbinové impedanční bariéry na dosah rozrušení horninového masivu. Některé výsledky
naznačují, že v prostoru za impedanční bariérou (ve směru od místa detonace náloží) se
nevratné porušení ve zkušebním masivu již neprojevilo, což znamená, že tlakové napětí
části prošlé napěťovýbuchové vlny za impedanční bariérou již nepřekonalo pevnostní
charakteristiky horninového masivu.
Výsledky, získané matematickým modelováním a provedením experimentálních
odstřelů a jejich vyhodnocením, uvádí následující přehled:
Dosah rozrušovacího účinku náloží do předpolí horninového masivu,
charakterizovaný takovým poklesem energie na čele napěťovýbuchové vlny, že její
tangenciální tenzor nezpůsobí porušení stavebně-mechanických jednotek horninového
masivu vznikem sekundárních trhlin byl zjištěn do max. vzdálenosti
5
- 44 d, tj. 44ti násobku průměru nálože (matematické modelování)
- 50 d, tj. 50ti násobku průměru nálože (modelový betonový blok)
- 63 d, tj. 63ti násobku průměru nálože (vápence)
Jako maximální zjištěnou hodnotu dosahu napěťovýbuchové vlny bez vlivu
impedanční bariéry lze tedy uvažovat 63ti násobek průměru detonující nálože. Bylo
experimentálně ověřeno a zjištěno, že impedanční bariéra, vytvořená v časovém předstihu
před detonací náloží sanačního nebo i těžebního odstřelu, omezí jejich rozrušovaní
účinek, je-li situována již ve vzdálenosti minimálně
-
13ti násobku průměru náloží sanačního odstřelu s velkou pravděpodobnosti,
20ti násobku průměru náloží sanačního odstelu s velkou jistotou.
Z hlediska rozrušovacího účinku, vznikajícího vlnovým působením vyvolaným
detonací nálože výbušniny je účinnost impedanční bariéry tím větší, čím větší je dráha
napěťovýbuchové vlny mezi místem jejího vzniku a linií impedanční bariéry.
Pro účinnost impedanční bariéry není rozhodující doba mezi vznikem impedanční
bariéry a detonací náloží závěrného (sanačního) odstřelu, ale vzdálenost mini nimi.
Časově musí impedanční bariéra vzniknout dříve, než k její linii dorazí čelo
napěťovýbuchové vlny, která má být utlumena.
4. Závěr
Stabilita lomových závěrných stěn je zásadně předurčena konkrétními geologickogeotechnickými parametry dobývaných skalních hornin a orientací postupu těžebních stěn
ve vztahu k místním geologickým podmínkám. Kromě této predispozice je stabilita
závěrných stěn významně ovlivňována stupněm porušenosti stavebně-mechanických
jednotek horninového masivu, vyvolávaným těžebními i závěrnými odstřely.
Eliminovat negativní účinky odstřelů na stabilitu závěrných stěn je možné jejich
odpovídajícím vyprojektováním a realizací.
Poznatky, uvedené v tomto příspěvku takový podklad poskytují.
Seznam použité a citované literatury
/1/
Chanukajev, A.N.:
/2/
/3/
Johansson, C.H.-Persson, P.A.:
Kutuzov, B.N.:
/4/
Langefors,U.-Kihlstrom,B.:
/5/
Mečíř, R.-Válek,D.:
/6/
Hendrych, J.:
Energija voln naprjaženij pri razrušenii porod
vzryvom, Nedra, Moskva, 1974
Detonics of high explosives, Stockholm, 1963
Laboratornyje i praktičeskije raboty po
rozrušenuju gornych porod vzryvom, Nedra,
Moskva, 1981
The modern technigue of rock blasting,
Willey, New York, 1963
Novodobá vrtací a trhací technika, SNTL Praha,
1968
Dynamika výbuchu a její užití, Academia Praha,
1974
--------------------x)
Referát je zpracován s použitím výsledků řešení Projektu Českého báňského úřadu č.
58-07 Stabilita závěrných svahů likvidovaných kamenolomů“ a s jeho souhlasem.
6
Obr. 1
Obr. 2
7
Obr. 3
Obr. 4
8
Obr. 5
Obr. 6
9
Obr. 7
10