مبانی تئوری انفجار
مقدمه
پدیده دتونیشن
موج شوک
موج شوک در فرآیند دتونشین
موج شوک در سطح قطعه کار
معادلات و روابط حاکم در دتونیشن یک بعدی
معادله حالت
انفجار ایدهآل
لایه شوک- لایه واکنش
تاریخچه
شکلدهی فلزات با سرعت بالا
شکلدهی الکتروهیدرولیکی
شکلدهی الکترومغناطیسی
- شکلدهی به روش چکش آبی
- شکلدهی انفجاری
مقایسه بین انفجارهای قوی و ضعیف
شکلدهی فلزات توسط انفجار ضعیف
شکلدهی فلزات توسط مواد منفجره قوی
حالتهای مختلف قرار گرفتن ماده منفجره نسبت به قطعه کار
اجزای یک سیستم شکلدهی انفجاری با مخلوط گازها
مقدمه:
در طول حداقل 200 سال گذشته، کاربرد واژه انفجار متداول بوده است. در زمانهای قبل از آن این واژه به تجزیه ناگهانی مواد و مخلوطهای انفجاری با صدای قابل توجهی نظیر «رعد» اطلاق شده است. این مطلب از دیرباز شناخته شده است که انفجار تجزیه سریع مقدار معینی ماده است که به محض رخداد یک ضربه یا گرمایش اصطکاکی اتفاق میافتد. بنابراین تجزیه این مواد در شرایط مناسب میتواند بصورت ساکت و آرام رخ دهد.
کلمه انفجار از نظر فنی به معنی انبساط ماده به حجمی بزرگتر از حجم اولیه است. آزاد شدن ناگهان انرژی که لازمه این انبساط است. غالباً از طریق احتراق سریع، دتونیشن (که در فارسی همان انفجار معنی میشود)، تخلیه الکتریکی با فرایندهای کاملاً مکانیکی صورت میگیرد. خاصیت متمایز کننده انفجار، همانا انبساط سریع ماده است. به نحویکه انتقال انرژی به محیط تقریباً بطور کامل توسط حرکت ماده (جرم) انجام میشود. در جدول زیر مقایسهای بین چند فرآیند آزادسازی انرژی انجام شده است:
چگالی انرژی (Watt/cc) | سرعت سوخت، شدن مواد (g/sec) | فشار (atm) | ماده |
10 | 1 | 1 | شعله استیلن |
106 | 103 | 2000 | باروت تفنگ |
1010 | 106 | 400000 | دتونیشن یک ماده منفجره قوی |
جدول (بالا) مقایسهای بین سه فرایند آزاد سازی انرژی
برای شعله تقریباً هیچ انتقال جرمی به اطراف رخ نمی دهد در حالیکه نیروی پیشرانش یک اسلحه قادر به راندن گلوله است و یک ماده منفجره قوی هر چیز در تماس با خود را تغییر شکل داده و یا ویران میکند. قدرت منهدم کننده این مواد را «ضربه انفجار» نامیده میشود که مستقیماً با حداکثر فشار تولید شده مرتبط است. توجه کنید که در جدول (بالا)، هیچگونه توصیفی از محل رخداد (تونیشن ماده منفجره قوی ارائه نشده است. این بدان معناست که فرایند دتونیشن از محدودیتهای فیزیکی مستقل است.
با توجه به مطالب بالا واضح است که دتونیشن تنها یکی از انواع حالات پدیده انفجار است بعبارت دیگر واژه دتونیشن تنها باید به فرآیندی اطلاق شود که در طی آن یک «موج شوک»انتشار یابد.
متاسفانه بعلت قفرلفات مناسب فنی در زبان فارسی، دتونیشن به معنی عام انفجار ترجمه میشود و بنابراین در ادامه این مبحث برای پرهیز از اشتباه و رسا بودن مطلب همان واژه دتونیشن را به کار برده خواهد شد.
سرآغاز تحقیقات اخیر بر روی دتونیشن به سالهای 45-1940 م. که «زلدویچ» و «ون نیومان» هر یک به طور جداگانه مدل یک بعدی ساختار امواج دتونیشن را فرمولبندی کردند باز میگردد، گرچه یک مدل واقعی سه بعدی تا اواخر سال 1950 م به تاخیر افتاد.
2- پدیده دتونیشن:
دتونیشن یک واکنش شیمیائی «خود منتشر شونده» است که در طی آن مواد منفجره اعم از مواد جامد، مایع، مخلوطهای گازی، در مدت زمان بسیار کوتاه در حد میکروثانیه. به محصولات گازی شکل داغ و پرفشار با دانسیته بالا و توانا برای انجام کار تبدیل میشود. فرض بگیرید قطعهای از مواد منفجره، منفجر گردد. به نظر میرسد که همه آن در یک لحظه و بدون هیچ تاخیر زمانی نابود میگردد. البته در واقع دتونیشن از یک نقطه آغازین شروع شده و از میان ماده بطرف انتهای آن حرکت میکند. این عمل بخاطر آن آنی بنظر میرسد که سرعت رخداد آن بسیار بالاست.
از نظر تئوری دتونیشن ایدهال واکنشی است که در مدت زمان صفر (با سرعت بینهایت) انجام شود. در اینحالت انرژی ناشی از انفجار فوراً آزاد میشود اصولاً زمان واکنش بسیار کوتاه یکی از ویژگیهای مواد منفجره است. هر چه این زمان کمتر باشد، انفجار قویتر خواهد بود. از نظر فیزیکی امکان ندارد که زمان انفجار صفر باشد. زیرا کلیه واکنشهای شیمیائی برای کامل شدن به زمان نیاز دارند.
پدیده دتونیشن با تقریبی عالی مستقل از شرایط خارجی است و با سرعتی که در شرایط پایدار برای هر ترکیب، فشار و دمای ماده انفجاری اولیه ثابت است منتشر میشود. ثابت بودن سرعت انفجار، یکی از خصوصیات فیزیکی مهم برای هر ماده منفجره میباشد در اثر دتونیشن، فشار، دما و چگالی افزایش مییابند. این تغییرات در اثر تراکم محصولات انفجار حاصل میگردند.
پدیدهای که مستقل از زمان در یک چارچوب مرجع حرکت میکند. «موج» نامیده میشود و ناحیه واکنش دتونیشن، «موج دتونیشن»یا موج انفجار نامیده میشود. در حالت پایدار این موج انفجار بصورت یک ناپیوستگی شدید فشاری که با سرعت بسیار زیاد و ثابت VD از میان مواد عبور میکند توصیف میشود واکنش شیمیائی در همسایگی نزدیک جبهه دتونیشن است که باعث تشکیل موج انفجار میشود. این موج با سرعتی بین 1 و تا 9، بسته به طبیعت فیزیکی وشیمیائی ماده منفجره حرکت میکند. این سرعت را میتوان با استفاده از قوانین ترموهیدرودینامیک تعیین نمود. عواملی که در سرعت انفجار نقش دارند عبارتند از: انرژی آزاد شده در فرآیند، نرخ آزاد شدن انرژی، چگالی ماده منفجره و ابعاد خرج انفجاری.
عبور امواج حاصل از انفجار باعث ایجاد تنش های کششی و فشاری در سنگ شده و توده سنگ را از لحاظ رفتار مکانیکی و دینامیکی تحریک می نماید . در بررسی کارایی مواد منفجر ه و به طور کلی ارزیابی کیفیت انفجار، داشتن اطلاع دقیق از رفتار سنگ تحت تنش های ناشی از انفجار و کیفیت انتقال و توزیع انرژی حاصله از آتشکاری نقش بسزایی دارند.
پدیده رشد ترک در مواد سنگی مسأله پیچیدهای است و اغلب نیازمند تکنیکهای پیشرفتهای جهت پیشبینی هندسه شکست میباشد. فرایند شکست با جوانهزنی ترک شروع میشود که وابسته به چقرمگی شکست است و بنابراین دقت هرگونه مدلسازی و نتایج آن به مقدار چقرمگی شکست سنگ بستگی دارد. از این رو تعیین مقدار چقرمگی شکست اهمیت ویژهای دارد. اولین تلاشها توسط اشمیت به منظور تعیین مقدار چقرمگی شکست سنگها بر مبنای روش تست استانداردی صورت پذیرفت که برای اندازهگیری چقرمگی شکست کرنش صفحهای مواد فلزی پیشنهاد شده بود . به دنبال آن کارهای آزمایشگاهی فراوانی جهت تعیین چقرمگی شکست سنگهای مختلف با استفاده از نمونههایی متفاوت صورت گرفت .صحت نتایج روشهای تست تدوینشده نیازمند نمونههایی با ابعاد هندسی بزرگ و هزینههای گران ماشینکاری بود که در عمل تهیه آنها از موادسنگی گاهی غیرممکن و یا غیرعملی بود تا اینکه نمونههای[1] Core معرفی شدند که نسبت به سایر نمونهها مزایای متعددی داشتند. مکانیک شکست سنگ به طور گسترده ای در فرایند آتشباری سنگها، شکست هیدرولیکی، تحلیل شیبهای سنگی، ژئوفیزیک، مکانیک زلزله، استخراج انرژی ژئوترمال زمین، حفاری های زیرزمینی، حفاری چاههای نفت و در بسیاری از مسائل کاربرد فراوانی دارد . هنگامی که یک سنگ ترک یا شکست ذاتی دارد، رفتار مکانیکی پیرامون انتهای ترک، فاکتور مهمی است که باید در طراحی و پایداری فرایندهای ذکر شده موردتوجه قرار گیرد . این مطالعه، کاربرد مکانیک شکست را برای مشخص کردن خصوصیات شکست بررسی میکند.هدف اصلی این تحقیق بررسی مکانیزم شکست سنگ در اثر انفجار –بخش عمده شکستگی سنگ و ایجاد درز و ترک چقرمگی و مقاومت سنگ و همچنین اهداف دیگر این تحقیق تحلیل عددی و میدانی انتشار امواج و ترکهای حاصل از انفجار پیش شکافی در توده سنگ، تحلیل عددی مکانیزم شکست پایه های سنگی در معادن عمیق، تعیین چقرمگی شکست یک نوع سنگ با استفاده از یک قطعه آزمایشگاهی اصلاح شده، اندازه گیری چقرمگی شکست سنگ و بررسی خصوصیات شکست آن تحت شرایط بارگذاری مرکب با استفاده از روشهای عددی و آزمایشگاهی، تحلیل اجزاء محدود نمونه CNSR جهت تعیین چقرمگی شکست مواد سنگی
کلمات کلیدی : شکتگی سنگ ،چقرمگی سنگ ،مکانیک سنگ
[1] Based Chevron Notched Specimens
فهرست مطالب
چکیده:ح
فصل اول کلیات... 1
مقدمه. 2
1-1-عوامل موثر بر کیفیت انتقال انرژی حاصله از آتشکاری.. 3
1-2-پارامتر های موثر در کیفیت انتقال انرژی.. 3
1-3-امپدانس سنگ و ماده منفجره3
1-4-ضریب امپدانس و ضریب جفت شدگی.. 4
1-5-تعریف متغیر های تحقیق.. 4
1-5-1-چقرمگی شکست... 4
1-5-2-مکانیک شکست... 5
1-6-مقاومت و مکانیک سنگها6
1-6-1-خواص مکانیکی سنگها6
1-6-2-مغزه گیری و آماده سازی نمونه:7
1-7- ویژگیهای مقاومت:8
1-7-1-شکست:8
1-7-2-مقاومت پسماند:8
1-8-تعیین مقاومت فشاری یک محوره8
1-8-1-عوامل موثر بر مقاومت فشاری:9
1-9-آنالیز فرآیند شکست سنگ.... 12
1-9-1-آتشکاری سنگ، دارای دو اثر می باشد:12
1-9-1-1-فشار دینامیکی:12
1-9-1-2- فشار استاتیکی:12
1-9-2-مکانیزم آتشکاری متوسط نامحدود. 13
1-10- زون شکست (زون فشرده شده ) :14
1-11-زون شکست (زون گسیختگی) :15
1-12-زون ارتعاش الاستیک :16
فصل دومادبیات تحقیق.. 17
2-1- عملیات درمعدن. 18
2-2- مشخصات پارامترهای شکست سنگ.... 18
2-3- شکست سنگ بعد از انفجار در معدن روباز. 19
2-4 روشهای آزمایشگاهی تعیین چقرمگی شکست سنگ در حالت کشش و برش... 20
2-4-1- نمونه های (SR):20
2-4-2-نمونه های (CB) :21
2-4-3- نمونه های (CCNBD) :22
2-4-4-نمونه های (SNSCB):23
2-5-روش PTS)) :24
2-6- تحقیقات انجام شده25
فصل سومروش های تحقیقات... 29
3- روش های تحقیقاتی برای ارتعاشات ناشی از انفجار. 30
3-1- شاخص های چگالی ارتعاش... 30
3-1-1-رابطه تجربی میرایی.. 30
3-2- تعیین چقرمگی شکست یک نوع سنگ ب ااستفاده از یک قطعه آزمایشگاه ی اصلاح شده33
3-2-1- معرفی روش تست جدید. 34
3-3- اندازه گیری چقرمگی شکست سنگ و بررسی خصوصیات شکست آن تحت شرایط بارگذاری مرکب... 36
3-4- تحلیل اجزاء محدود نمونه CNSR جهت تعیین چقرمگی شکست مواد سنگی.. 36
فصل چهارمیافته ها و نتایج.. 39
4-1- مکانیزم شکست سنگ.... 40
4-2-چقرمگی شکست :40
4-3-حالت های مختلف گسترش ترک :40
4-4- فشار چال، فشار انفجار و نواحی اطراف چال انفجار. 41
4-5- معیارهای تجربی پیش بینی شعاعهای آسیب اطراف چال انفجار. 42
4-6- براساس یک معیار سرانگشتی :43
4-7- برآورد مناطق پودر شده و ترکهای شعاعی اطراف چال انفجاری.. 44
4-8- عوامل اصلی میرایی امواج لرزهای :45
4-9- آزمایش های میدانی.. 45
4-9-1- تعیین ماکزیمم مقدار خرج در هر تاخیر. 45
4-9-2- نمودارهای عملی آتش باری.. 47
4-9-3- تداخل طول موج.. 49
4-3- تحلیل عددی مکانیزم شکست پایه های سنگی د رمعادن عمیق.. 51
4-4- تشریح تستهای آزمایشگاهی.. 53
4-5- خصوصیات مصالح.. 54
4-5-1-مدل المان محدود. 55
فصل پنجم نتیجه گیری.. 59
نتیجه. 60
منابع. 64
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1-مقایسه ی دو رفتار شکننده و شکل پذیر سنگ در اثر بار گذاری.. 9
شکل 1-2-تاثیر اثر انتهایی نمونه بر روی شکست سنگ.... 10
شکل 1-3- آزمایش مقاومت فشاری یک محوره سنگ با توجه به نسبت ارتفاع به قطر. 11
شکل 1-4-شکل شماتیکی دیاگرام تاثیرات آسیبی آتشکاری.. 14
شکل 2-1- هندسه و نحوه ی بارگذاری نمونه sr (Ouchterlony , 1988 )21
شکل 2-2- هندسه و نحوه ی بارگذاری نمونه CB ( ouchterlony , 1988)22
شکل 2-3- هندسه ، نحوه بارگذاری و مراحل ایجاد شکاف در نمونه (khan and Al –shayea ,2000) SNSCB.. 23
شکل2-4- هندسه نمونه ، نحوه بارگذاری و نمای شماتیک از نوک ترک قبل و بعد از تغییر شکل برای PTS –test ( Backers et al ,2002 )25
شکل 3-1- صورت گرافیکی نقاط اندازه گیری و منحنی رگرسیون. 32
شکل 3-2- قطعه SCB (ترک زاویه دار – تکیه گاه ها متقارن)34
شکل 3-3- قطعه ASCB (ترک مستقیم – تکیخ گاه ها نامتقارن )35
شکل 4-1-سه مود اصلی انتشار ترک.... 41
شکل 4-2- مقطع چال انفجار و مناطق پنج گانه اطراف آن براساس پیشنهاد ایورسن و هماران (2008)42
شکل 4-3-تغییرات تنش فشاری به کششی در اثر بازتاب از سطح آزاد در فاصله 20 متری از مرکز انفجار. 45
شکل 4-4-فرکانس ارتعاش از وقایع ثبت شده47
شکل 4-5-نمودار تخمین PPV براساس Q,R.. 48
شکل 4-6-نمودار برآورد ماکزیمم خرج ویژه برپایه PPV , R.. 48
شکل4-7-هندسهمدلساختهشدهواستفادهشدهدرتحلیلعددی.. 52
شکل 4-8- منحنیتیپبارجابجاییبراییکپایه. 52
شکل 4-9- منحنیرفتارپایهدرشرایطتودهسنگباصلبیتپائین.. 52
شکل 4-10 - منحنیرفتارپایهدرشرایطتودهسنگاحاطهکنندهباصلبیتبالا.. 53
شکل4-11-نحوهانجامتستبااستفادهازروش ASCB.. 54
شکل 4-12-هندسهنمونهآزمایشاصلاحشده Arcan.. 55
شکل 4-13-نمونهودستگاهاصلاحشده Arcan.. 56
شکل4-14-طرحیکمدلمشبندیشدهکاملازدستگاهونمونهاصلاحشده Arcan الف) قبلازبارگذاریب) بعدازبارگذاری 56
شکل 4-15-المانهایسینگولاراطرافراسترک.... 57
شکل 5-1- مقایسهنتایجچقرمگیشکستحاصلازتستآزمایشگاهیو. معیار MTS درمودهایمختلف.... 61
شکل5-2-تاثیرزاویهبارگذاریبرمقادیرنرخانرژیکرنشیآزادشدهکل (GT). 62
شکل5-3-تاثیرزوایایبارگذاریبرنرخانرژیآزادشدهکل،نرخانرژیآزادشدهمدکششیومدبرشی وانرژیمحاسبهشدهتوسط –J انتگرالدریکنمونهسنگآهک.... 63
شکل5-4-تاثیر زوایای بارگذاری بر مقادیر فاکتور شدت تنش برای یک نمونه سنگ آهک.... 63
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- مغزه گیری و آماده سازی نمونه. 7
جدول 3-1- پارامترهای پایه مربوط به ارتعاشات ناشی از آتش باری و نتایج آزمایش های میدانی.. 31
جدول 4-1- روابط گوناگون برآورد منطقه پودر شده و ترکهای شعاعی اطراف چال انفجار. 44
جدول 4-2-اجازه ارتعاش ناشی از انفجار بر اساس استاندارد چین.. 46
جدول 4-3- نتایج موفقیت کاهش ارتعاشات و میزان کاهش در ارتعاشات... 50
جدول4-4اطلاعات استفاده شده در تحلیل عددی.. 51
جدول4-5-مشخصات مکانیکی سنگهای مورد استفاده در تحلیلهای المان محدود. 54
جدول 4-6- مقایسه بین روش های مختلف ارائه شده برای اندازه گیری چقرمگی شکست سنگ.... 58