Modelling the influence of gaseous products of explosive detonation on the processes of crack treatment while rock blasting

Abstract

Purpose is mathematical modeling of fracturing as well as influence of gaseous products of explosive detonation on the changes in rock strength. Methods. Mathematical model, using foundations of Griffith theory, has been developed. To explain conditions of bridge formation while exploding lead azide charges, a two-stage description of solid particle condensation at a crack surface and inside it has been applied using the smoothed particle hydrodynamics. The analysis, involved electronic microscope, has helped verified the results experimentally. Findings. The effect of rock mass disturbance, resulting from explosive destruction, is manifested maximally right after the action. Subsequently, it decreases owing to the gradual relaxation of the formed defects. Therefore, an urgent problem is to develop ways slowing down strength restore of the blasted rock mass fragments. The process of rock fragment strength restoring may be prevented by microparticles getting into the microcrack cavities together with the detonation products. The research simulates their action. The data correlate to the simulation results confirming potential influence of the blasted rock on the dynamics of changes in the strength characteristics of the rock mass. Various compositions of charges with shells made of inert solid additions have been applied which solid particles can avoid the process of microcrack closure. Originality. For the first time, the possibility of deposition formation within rock micro- and macrocracks has been proposed and supported mathematically. Practical implications. Strength properties of the finished product and the energy consumption during impulse loading as well as subsequent mechanical processing of nonmetallic building materials depend on the strength properties of rock mass fragments. Hence, the ability to control the strength restore has a great practical value. Moreover, it can be implemented during the blasting operations.

Мета. Моделювання процесу утворення тріщин і впливу на нього газоподібних продуктів детонації вибухових речовин на зміну міцності нерудних гірських порід. Методика. Побудовано математичну модель із використанням основ теорії Гріффітса. Аналіз механізму конденсації твердих частинок на поверхні та всередині тріщини (для пояснення умов утворення мостів під час вибуху зарядів азида свинцю) проведено за допомогою двоетапного підходу із використанням гідродинаміки згладжених частинок. Для експериментального підтвердження отриманих результатів проведено експериментальні дослідження із використанням електронного мікроскопа. Результати. Ефект знеміцнення гірської маси після вибухового руйнування в максимальному ступені проявляється відразу і надалі з часом знижується внаслідок поступової релаксації утворених дефектів, тому актуальним завданням є розробка способів уповільнення процесу відновлення міцності шматків відбитої вибухом гірської маси. Процесу відновлення міцності можуть перешкоджати мікрочастинки, що потрапляють всередину порожнин мікротріщин з продуктами детонації, моделювання дії яких описано в роботі. Отримані експериментальні дані корелюють з наведеними результатами моделювання і підтверджують можливість впливу на динаміку зміни характеристик міцності одержуваної вибухом гірської маси, використовуючи різні склади зарядів з оболонками з інертних твердих добавок, тверді частинки яких можуть перешкодити процесу змикання мікротріщин. Наукова новизна. Вперше запропоновано та математично підтверджено можливість утворення відкладень (депозитів) у мікро- і макротріщини гірських порід. Практична значимість. Міцність готового виробу та енерговитрати при імпульсному навантаженні й подальшій механічній обробці неметалічних будівельних матеріалів залежать від фізико-механічних властивостей шматків гірської маси, тому здатність керувати відновленням міцності має велике практичне значення і може впроваджуватися при проведенні вибухових робіт.

Цель. Моделирование процесса трещинообразования и влияния на него газообразных продуктов детонации взрывчатых веществ на изменение прочностных характеристик нерудных горных пород. Методика. Построена математическая модель с использованием основ теории Гриффитса. Для объяснения условий образования мостов при взрыве зарядов азида свинца было использовано описание механизма конденсации твердых частиц на поверхности и внутри трещины двухэтапным подходом с использованием гидродинамики сглаженных частиц. Для экспериментального подтверждения полученных результатов использовались исследования с помощью электронного микроскопа. Результаты. Эффект разупрочнения горной массы после взрывного разрушения в максимальной степени проявляется сразу и в дальнейшем со временем снижается вследствие постепенной релаксации образовавшихся дефектов, поэтому актуальной задачей является разработка способов замедления процесса восстановления прочности кусков отбитой взрывом горной массы. Процессу восстановления прочности кусков горной массы могут препятствовать микрочастицы, попадающие внутрь полостей микротрещин с продуктами детонации, моделирование действия которых описано в работе. Полученные данные коррелируют с приведенными результатами моделирования и подтверждают возможность влияния на динамику изменения прочностных характеристик получаемой взрывом горной массы, используя различные составы зарядов с оболочками из инертных твердых добавок, твердые частицы которых могут помешать процессу смыкания микротрещин. Научная новизна. Впервые предположена и математически подтверждена возможность образования отложений (депозитов) в микро- и макротрещинах горных пород. Практическая значимость. Прочностные свойства готового изделия и энергозатраты при импульсном нагружении и последующей механической обработке неметаллических строительных материалов зависят от прочностных свойств кусков горной массы, поэтому способность управлять восстановлением прочностных характеристик имеет большое практическое значение и может внедряться при проведении взрывных работ.