2.3. Tác dụng phá hoại của sóng xung kích đến môi trường đá xung quanh
2.3.2. Phá vỡ đất đá
2.3.2.1. Phá vỡ đất đá đồng chất
Như chúng ta đã biết, tốc độ kích nổ lớn rất nhiều so với tốc độ lan truyền sóng ứng suất trong đất đá. Vì vậy bề mặt đất đá tiếp thu tác động nổ đồng thời trên toàn bộ diện tích tiếp xúc lượng thuốc nổ đối với đất đá.
Trên bề mặt ranh giới giữa lượng thuốc nổ và đất đá sóng kích nổ có biên độ rất lớn. Sóng đập nghiền nát đất đá rất mạnh trong điều kiện nén các phía không đều đặn. Càng xa lượng thuốc nổ thì biên độ sóng đập càng giảm. Tại những điểm của môi trường cách lượng thuốc nổ khoảng 5÷6 lần bán kính lượng thuốc nổ thì sóng đập chuyển thành sóng đàn hồi. Tốc độ lan truyền của sóng đàn hồi nhỏ hơn tốc độ lan truyền của sóng đập và bằng tốc độ âm trong môi trường đất đá. Ứng suất trên mặt sóng nổ cao hơn nhiều so với độ bền của đất đá về nén, do đó sau khi sóng truyền nổ qua đất đá, kết cấu ban đầu của nó bị phá vỡ. Vùng này được đặc trưng là vùng tác dụng dẻo khi nổ. Nó thường giới hạn trong khoảng 10÷12 lần bán kính lượng thuốc. Trong vùng này, sau khi sóng nổ truyền qua, khí nổ với áp lực cực cao lớn (20÷70).10P8P N/mP2Pgây ra tác dụng phá vỡ đất đá rất mạnh.
1
Hình 2.8. Sơ đồ phá vỡ đất đá đồng chất xung quanh lượng thuốc nổ.
1. Tâm lượng thuốc nổ;
a. Vùng nghiền nát b. Vùng tạo thành nứt nẻ.
Dưới tác dụng của sóng và khí nổ, đất đá gần lượng thuốc nổ bị nén ép và chuyển dịch nhanh sau mặt thoáng ứng suất. Do đó tạo thành vùng biến dạng mạnh với hệ thống nhiều nứt nẻ cắt nhau.
Càng xa lượng thuốc nổ thì ứng suất trên mặt sóng nổ càng giảm và ở khoảng cách nhất định nó nhỏ hơn sức kháng nén của đất đá, khi đó đặc tính biến dạng và phá vỡ môi trường thay đổi.
Dưới tác dụng của sóng ứng suất và khí nổ (lan truyền từ lượng thuốc nổ) theo đường hướng tâm phát sinh ứng suất nén vả theo hướng tiếp tuyến phát sinh ứng suất kéo, do đó trong đất đá xuất hiện những nứt nẻ hướng tâm.
- Giai đoạn 1.
Sóng kích nổ (v = 4-6km/s) truyền đến bề mặt tiếp xúc giữa thuốc nổ với đất đá, sau đó chuyển thành sóng đập (v = 3÷5km/s). Ứng suất trên mặt sóng vượt quá giới hạn bền nén của đất đá.
Sóng đập phá vỡ đất đá thành những phần tử kích thước nhỏ. Tại thời điểm mà tốc độ lan truyền của sóng đập bằng tốc độ của sóng dọc.
) 2 1 )(
1 (
) 1 (
1 à à
à
− +
= − p
C E (2-10)
Trong đó:
E – Mô đun đàn hồi của đất đá;
à - Hệ số poỏt xụng;
p – Mật độ đất đá.
Khi sóng đập trở thành sóng đàn hồi và bắt đầu giai đoạn hai của tác dụng động lực sóng đàn hồi khi nổ lượng thuốc. Ứng suất trên mặt sóng đàn hồi lớn hơn giới hạn bền nén của đất đá, vì vậy mặt sóng đàn hồi đồng thời là mặt phá vỡ đất đá.
- Giai đoạn 2.
Buồng nổ chứa đầy sản phẩm nổ và vùng đất đá bị đập nhỏ được mở rộng, áp lực khí trong buồng nổ chuyển qua đất đá bị đập vỡ thành mặt trước của sóng đàn hồi. Trong quá trình lan truyền sóng đàn hồi, ứng suất bị giảm dần. Tại thời điểm
khi biên độ mặt trước sóng đàn hồ giảm bằng trị số bền động lực của đất đá thì bắt đầu giai đoạn 3.
- Giai đoạn 3.
Hình thành một số vùng biến dạng và phá vỡ đất đá vùng đập nhỏ đất đá do tác dụng của sản phẩm nổ, vùng nứt nẻ hướng tâm, vùng biến dạng đàn hồi
Ở giai đoạn 3 người ta quan sát được mặt trước của sóng đàn hồi, mặt tạo thành nứt nẻ hướng tâm và mặt nghiền nhỏ đất đá. Cuối giai đoạn 3, trong vùng lân cận thuốc phát sinh trạng thái ứng suất biến dạng cân bằng và từ đó đàn hồi phát sinh sóng chấn động biên độ cực đại của nó thay đổi theo quy luật”
r
nd n
σ =σ ;
r
r = r2 (2-11) Trong đó:
σnd - Giới hạn bền nén động lực của đất đá;
r - Bán kính mặt trước của sóng chấn động;
rP*P = (0,6 ~ 0,8)r – Bán kính vùng đập nhỏ đất đá cuối giai đoạn 2;
rR2R – Bán kính cuối cùng của vùng đập nhỏ đất đá.
Cuối giai đoạn 2, sự lan truyền ứng suất trong vùng nứt nẻ hướng tâm được miêu tả bằng những quan hệ:
r2 nd r
σ =σ ; σRαR = σR0R = 0
E
r r
ε σ ; εα = ε0 = -àεr (2-12)
R
/r2
r r = ;
2 r r0
r≤ ≤
R RTrong đó:
R RrR2R – Bán kính cuối cùng của vùng đập nhỏ đất đá;
rR0R – Bán kính ngoài cùng của đất nứt nẻ hướng tâm.
Nếu r = rR0Rthì quan hệ giữa rR0R và rR2Rcó dạng:
k nd k
nd r
r
r σ
σ σ
σ
2 2
0 0,7
.
2 =
= (2-13)
Về bản chất, rR0R là bán kính vùng tạo thành nứt nẻ, nghĩa là bán kính vùng đập vỡ điều chỉnh, còn rR2R là bán kính buồng nổ tạo thành trong đất đá. Trị số
dt r2
2 là hệ số mở rộng buồng mìn kRmR, đối với đất đá cứng có trị số từ 4 đến 10. Như vậy ta có:
k nd
km
r d
σ σ 2 2
1.
0
- Giai đoạn 4.
Tác dụng nổ tạo thành những nứt nẻ vòng tiếp tuyến trong vùng nứt nẻ hướng tâm và vùng biến dạng đàn hồi. Nứt nẻ vòng được tạo thành trong những điều kiện:
Từ buồng nổ, tại thời điểm nhất định, sản phẩm nổ theo vết nứt truyền vào khí quyển nên áp lực giảm đáng kể, giải phóng cho đất đá khỏi bị nén trong vùng nứt nẻ hướng tâm và vùng biến dạng đàn hồi. Khi đó các phần tử biến dạng chuyển động về phía trung tâm lượng thuốc và xuất hiện ứng suất kéo hướng tâm. Do ảnh hưởng của ứng suất này mà phát sinh nứt nẻ vòng quanh buồng nổ.
Khi đó, do không bị ngăn cản và dưới tác dụng của sóng ứng suất, các phần tử đất đá ở gần bề mặt tự do được dịch chuyển tự do về phía bề mặt đó và kéo theo tất cả các phần tử bề mặt tham gia vào sự chuyển động này. Khi đó bắt đầu lan truyền sóng phản xạ theo đất đá. Trên mặt sóng phản xạ phát sinh ứng suất kéo. Như vậy sóng phản xạ là sóng nén được phản xạ từ bề mặt tự do và được lan truyền như từ lượng thuốc nổ ảo.
1
2
3 4
5
Hình 2.9. Sơ đồ tạo thành sóng phản xạ ở mặt thoáng.
1 – Lượng thuốc thực;
2 – Lượng thuốc ảo;
3 – Sóng tới;
4 – Sóng phản xạ;
5 – Mặt thoáng.
Trị số lượng thuốc ảo giống trị số thật nhưng nó được phân bố bên ngoài bề mặt tự do một khoảng bằng đường kháng nhỏ nhất của thuốc thật. Vì sức kháng kéo của đất đá nhỏ hơn (10÷30) lần sức kháng nén của đất đá. Ở mặt tự do đất đá bị phá vỡ do sóng phản xạ với sự tạo thành nứt nẻ tiếp tuyến và phễu vỡ bề mặt. Toàn bộ thể tích đất đá trong phễu nổ bị đập vỡ lan truyền từ bề mặt vào sau trong khối đá cộng với sự phá vỡ xảy ra xung quanh lượng thuốc.
Giáo sư Khanukaieb đã tìm ra các thông số của sóng ứng suất lan truyền trong đất đá khi nổ bằng cách sau.
1 2
Hình 2.10: Sơ đồ xác định các thông số của sóng ứng suất trong đất đá khi nổ lượng thuốc.
1 – Lượng thuốc nổ;
2 – Thiết bị đo.
Trên những thành phần thẳng đứng của giếng (kích thước 4x4x3m) chứa đầy nước, ta khoan lỗ khoan để chứa thuốc nổ và cách thành giếng 5÷8cm ở trong nước bố trí đầu đo để ghi lại các thông số của sóng khúc xạ. Thông số của sóng ứng suất tìm được theo công thức:
σR1R = PRtR/k
d d n n
n n
C p C p
C k p
. .
. . 2
= + (2-14)
Trong đó:
pRnR, CRnR và pRdR, CRdR – Mật độ và tốc độ sóng dọc tương ứng trong nước và trong đất đá;
k – Hệ số khúc xạ;
σR1R – Ứng suất hướng tâm trong đất đá;
PRtR – Áp lực trong nước.
Tương tự, có thể tiến hành đo trên các mẫu đất đá đặt trong giếng chứa nước.