Взрывы в земной коре

ВЗРЫВЫ  В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Ничтожна толщина земной коры в масштабе нашей планеты. Однако эта относительно тонкая оболочка но только уверенно несет на своих плечах груз человеческих цивилизаций — каменные города-гиганты весом миллиарды тонн, но и является единственной огромной кладовой минеральных богатств. Глубокие и сверхглубокие шахты, котлованы карьерой, площадью в десятки квадратных километров, сотни тысяч буровых скважин ежегодно выкачивают либо выдают «па-гора» миллиарды тонн полезных ископаемых. Не меньшая доля приходится и на попутно вынимаемые горные породы. Но земная кора выдерживает это — ее слагают крепкие и сверхкрепкие породы — граниты и базальты.

В течение  многих столетий перед крепостью  этих и многих других горных пород, называемых скальными, были беспомощны кайло и лопата, приводившиеся в действие мускульными усилиями человека. В XIX в. их сменили паровой экскаватор и врубовая машина, по им по силам оказались лишь горные породы невысокой крепости. Даже современные нам горные комбайны и электрические экскаваторы-гиганты не могут подступиться к особенно крепким породам земной коры. И вот здесь человек обратился за помощью к взрыву. В последние десятилетия, когда в связи с темпами развития научно-технического прогресса особенно возросли потребности в минеральном сырье, нарывные работы приобрели повсеместное распространенно. Только за 00-е годы в СССР взрывным способом добыто 40 млрд. т минерального сырья.

Механизм  работы взрыва в горных породах сложен. Работа взрыва начинается в тот момент, когда волна, вызвав детонацию ВВ. переходит границу раздела между зарядом ВВ и породами земной коры. Этот переход характеризуется резким повышением давления и эквива- 

лентен удару по среде: в ней возникает своеобразная волна сжатия, распространяющаяся в среде со сверхзвуковой скоростью. Взрывные волны изменяют состояние среды на больших расстояниях от места взрыва, намного превышающих радиус расширения продуктов взрыва.

Между фронтом  ударной волны и границей, разделяющей продукты взрыва и среду, образуется область, где вещество среды сжато и движется в сторону распространения ударной волны. Течение вещества среды складывается из сменяющих друг друга фаз сжатия (движение вслед за фронтом волны) и разрежение (торможение и движение в противоположную сторону). Таи как движение в фазе разрежения имеет меньшую скорость, то в итоге вещество среды перемещается в направлении ударной волны.

Совокупность  ударного фронта и сопутствующих  ему фаз сжатия и разрежения получила название взрывной волны.

Разрушительное  действие взрывной волны определяется ее энергией, которая всецело зависит от энергии взрыва, а следовательно, от его удельной теплоты. Поэтому, моделируя взрыв, пользуются энергетическим законом подобия, что позволяет сравнивать между собой взрывы даже существенно разной природы (например, атомные и химические).

Ударная волна  характеризуется пятью главными параметрами: давлением на фронте, плотностью и температурой вещества среды на фронте, скоростью распространения фронта и, наконец, скоростью потока вещества среды за фронтом. Уравнения сохранения массы, количества движения, энергии и уравнение состояния среды дают четыре соотношения между пятью главными параметрами ударной волны. Задавая любой из этих параметров, определяют остальные.

Взрыв в массиве  горных пород — наиболее сложен по своей природе, так как приходится, иметь дело со средой исключительно неоднородной по химическому составу и физическому состоянию.

Если свойства металлов изучены достаточно хорошо и в принципе стабильны, то грунты и горные породы — эти двух- или трехкомпонентные системы (твердый скелет, газ, жидкость) в каждом конкретном случае индивидуальны. Даже незначительное но объему количество 

 

 

жидкости (воды) и газа (воздуха) в грунте сильно влияет на время действия взрывной волны: к водонасыщенных грунтах оно гораздо меньше, чем  неводонасыщенных. Кроме того, сжимаемость воды во много раз меньше, чем скелета, поэтому именно вода оказывает основное противодействие сжатию водонасыщенного грунта в целом.

 

При подземном взрыве ударная  волна очень быстро преобразуется в волну напряжения с более медленным нарастанием на фронте. Учитывая, что при взрыве про-мышленных ВВ ударная волна наблюдается на расстоянии 2—5 радиусов заряда, то для анализа движения среды представляет интерес волна напряжений сжатия в не-упругодеформируемой среде.

Особую роль при анализе  подземного взрыва играет рассмотрение процесса формирования полости в  массиве горных пород за счет высокого давления продуктов детонации. Наиболее важное значение имеют здесь прочностные характеристики среды. Размеры полостей, образующихся при подземных камуфлетных взрывах, сильно зависят от механических свойств среды и меняются в широком диапазоне — при взрыве заряда весом 1 т в раз-

90 

личных  горных  породах   получается полость объемом от нескольких кубических метров до нескольких

сот кубических метров.

Действие газообразных п подуете;; гзрыпа можно ерав-

~еду   го с   г.: гсо-

кой скоростью (что соотвотетиуп' наибольшей скорости разлета продуктов  взрыва), затем диилгсппо его замедля-стся (продукты взрыва сильно расширяются) гг. наконец, лргкращаотея (скорость разлета равна пулю).

Ближняя к заряду зона — обллстг- больтгх и пеупру-гпх  деформаций, дяльпяя—• почти упругих  деформаций.

В ближней зопо, если средой являются хрупкие горные породы, помимо их механического разрушения, в топком слое, примыкающем к газовой камере, под воздействием высокого давления и температуры изменяется кристаллическая структура и наблюдаются фазовые превращения. В пластичных горных породах происходят пластические деформации. В пределах зоны разрушения порода находится в состоянии всестороннего сжатия. В области упругих деформаций рад пал г.пыс напряжения ся сживающими, а та иге ни палы г ыс (а,_г) лге становятся растягивающими (рис. .4).

Конечный результат  взрыва оценивается произведен-ной им работой. Принято различать общее (фугасное) и измельчающее (бризантное) действие взрыва. Работа по разрушению и перемещению среды определяется полной энергией, выделившейся при взрыве. Работа в форме бризантного действия совершается на границе заряда и пропорциональна плотности энергии на фронте детонационной волны, т. е. давлению детонации.

Доля энергии, расходуемая  на приконтактное измельчение, весьма мала; основная роль здесь принадлежит давлению — силе, которая, действуя на крайне малом пути (молекулярные размеры), оказывается достаточной для нарушения сплошности твердого тела, для его дробления. Наиболее эффективна эта работа при наличии сколько-нибудь заметных дефектов в массиве. Например, в массиве горных пород обычно имеется огромное количество хаотически расположенных структурных дефектов (пор, каверн, микро- и макротрещин). Элементы среды с дефектами разрушаются при взрывных нагрузках в первую очередь. 

 

 

 

 

Наиболее  достоверной является такая схема  развития взрыва (предложена М. А. Садовским и В. Н. Родионовым) , при которой горная порода отождествляется с жидкостью до тех пор, пока давление в полости и па фронте ударной волны не уменьшится настолько, что нельзя будет пренебречь разницей компонент напряжений даже в отдельных частицах (монокристаллах) породы. Соответствующий гидродинамический (нулевой) этап развития взрыва завершается, когда давление в полости становится примерно равным прочности монокристаллов. Ограничиваясь упрощенным описанием нулевого этапа, полагаем, что расширение полости происходит как бы за счет смещения несжимаемой жидкости. Первый этап взрыва — действие ударно-разрушающей волны. По горной породе распространяется ударная волна, напряжения на фронте которой превышают предел прочности породы на раздавливание; между расширяющейся полостью и фронтом ударной волны происходит движение раздробленного материала.

Второй этап — динамическое расширение полости. Начинается он с момента, когда скорость фронта разрушения становится меньше скорости упругого предвестника. Квазистатическое давление продуктов детонации обеспечивает квазистатические напряжения в среде и перемещение разрушаемого материала, которое происходит между фронтом волны разрушения (раздавливания) и полостью. Среда перед фронтом разрушения считается упругой.

Третий этап — распространение упругих волн. Его началом является момент остановки границы зоны разрушения, когда движение сохраняется только в упругой внешней зоне.

Если признать сопротивление взрыву со стороны  среды, которую будем считать неограниченной, равномерным в любом направлении, то очевидно, что взрывные возмущения образуют концентрические сферы. Первая от заряда сфера подвергается, естественно, наиболее сильному воздействию, которое приводит к пластической деформация среды и сильному измельчению (скальные породы) или сжатию (пластичные породы). Эта первая сфера названа сферой сжатия или измельчения. За границей этой сферы воздействие взрыва ослабевает — он образует в массиве трещины и нарушает сплошность среды. Это — сфера разрыхления. Покидая сферу разрыхления, волна

 

 

возмущения теряет силу своего воздействия и способна вызвать лишь колебательное движение частиц среды, по нарушая связей между ними. Это наиболее обширная по масштабам сфера сотрясения или сейсмического действия взрыва.

Такая условная картина действия взрыва характеризует работу только одной его составляющей — волны напряжений. Вторая составляющая — квазистатическое давление газообразных продуктов детонации. Попробуем совместить в единое целое эти оба рычага взрыва.

В результате взрыва, как мы знаем, образуется ударная волна, которая прокладывает равномерно во все стороны от заряда радиальные трещины (рис. 4, а). В это время остаточное давление газа в зарядной камере еще велико и может составлять 1 — 5 кбар. Под действием этого давления газовый поток устремляется б трещины. Скорость потока может оказаться достаточно высокой, и в этом случае газ достигнет вершины трещины. Так как течение газа в узкой трещине связано с заметными гидродинамическими и тепловыми потерями, то скорость течения только вначале немного превышает скорость распространения трещины. Но даже если давление газа в трещине быстро уменьшается, он играет роль рычага или раскалывающего клипа, воздействующего па поверхность трещины в области, ближней, к заряду, и тем самым увеличивает растягивающие напряжения в вершине тре-щины.

Этот эффект имеет большое значение для длинных трещин. Трещины прорастают значительно медленнее, чем мчится взрывная волна (4000 — 5000 м/с), которая отражается от поверхности в виде волны разрежения. Взаимодействие с отраженной волной разрежения придает радиальным трещинам большую скорость развития, которая близка к скорости распространения трещин, ориентированных параллельно фронту волны, т. е. развивающихся под углом 10—40° к свободной поперхности. Продвигаясь вперед, эти трещины ослабляют окружающий материал, вследствие чего снижается в дальнейшем скорость распространения радиальных трещин. В то же время самые длинные трещины от свободной поверхности могут достигать зарядной полости. Среда смещается к свободной поверхности и начинает прогибать ее вверх (рис. 4, б). Это прогибание, или вспучивание, поверх-

 

 

V

 

ности затрудняет рост тех радиальных трещин, которые растут перпендикулярно поверхности (сжимает их) и, наоборот, способствует росту трещин под углом к поверхности. Возникает и вторая система трещин — от свободной поверхности — к заряду, появление которых обусловлено растягивающими напряжениями изгиба (рис. 4, в). Наличие развитой сети произвольно ориентированных тре-щин увеличивает степень разрушения твердого массива.

94 

Продукты детонации  завершает процесс разрушения  вы-бросом материала, в результате которого образуется выемка (рис. 4, г.)

Рассмотренная пами качественная сущность современ-пых взглядов па механизм разрушения горных пород взрывом сформировалась в течение последних четырех десятилетий. Длительное время до этого ученые и практики не выходили за пределы установления несложных объемных закономерностей (например, отношение объема взрываемого ВВ к объему воронки выброса).

разрушения.

Истоки теории действия взрыва в горных породах восходят к 18 в., когда французский военный инженер де Вилль в 1628 г. предложил первую  в истории взрыв-ного дела формулу, по которой величина заряда была равна к произведению линии наименьшего сопротивления на коэффициент, характеризующий свойства грунта,— так называемый коэффициент грунта. Формула была улучшена в том же веке знаменитым военным инженером маршалом Себастианом Пьер Вобаном (1633—1707). который полагал вес заряда пропорциональным объему конуса выброса. Спустя 22 года поело смерти Вобана вышла книга «Новая теория минного искусства, в которой впервые были сформулированы научные основы теории взрывного

КЧ1ПП1 — 1'еперал  французской армии

Бернар Бслпдор (1608—1761) предположил, что в результате взрыва возникают три сферы: сжатия, разрушения п сотрясения. В 1725 г. Белпдор произвел 12 опытных взрывов в Ла-Фере (первый случай цедспапраолеппого промышленного эксперимента в этой области), которые под-тнердплн его теоретические предположения (1720—1724), что заряды горнов (С) пропорциональны кубам радиусов взрына (/г):

С = 0,529 № (уменьшенный горн); С =1,5 /?/ (нормальный горн); С— 16,77 /г³ (усиленный горн).

Формулы Белидора впоследствии уточнялись многими учеными, предлагались новые формулы для  расчета веса заряда. Например, профессор Джон Мюллер исходил из предположения, что заряды пропорциональны разностям между вторыми и первыми степенями радиусов взрыва, а генерал Мареско полагал пропорциональность зарядов

 

 

97

 

 

 

 

Дальнейшие  опыты в этом направлении пропел в 1933 г. Е. Орован, который изучал прочность на растяжение образцов листовой слюды. Его работы подтвердили вывод Л. Ф. Иоффе о том, что дефекты по продольным краям образца резко снижают прочность. Орован предположил, что предел прочности для хрупких материалов снижается с увеличением размеров образца, поскольку вместе с этим возрастает и вероятное количество слабых участков в образце. Позднее, в 1939 г., В. Вайбулл дал объяснение этому явлению на статистической основе. Вполне вероятно, что эти работы были знакомы профессору Ленинградского горного института М. В. Мачинскому, который в середине 30-х годов выдвинул положение о том, что существенное влияние на результат дробящего действия взрыва в горных породах оказывают число слабых мест па единицу объема породы и скорость распространения: трещин в пей в сопоставлении со свойствами применяемого ВВ.