Взрывы в земной коре

Практическое  использование этой гипотезы ограничивалось отсутствием методики определения числа слабых мест в массиве пород. Однако дальновидное предположение о том, что в ненапряженном массиве существует множество дефектов, явилось существенным шагом в создании теории разрушения горных пород взрывом.

13 конце 40-х  годов теория Гриффитса была  развита Г. Р. Ирвиным, который упростил способ учета энергии пластической деформации. Это существенно расширило область применения теории Гриффитса.

Успехи математической статистики в начале 50-х годов позволили применить некоторые ее методы к исследованию процесса разрушения. Основной идеей статистической теории разрушения является построение своеобразной модели среды, сходной с моделью среды Гриффитса. В 1953 г. методы математической статистики использованы С. Д. Волковым для разработки единой статистической теории прочности твердых тел.

Известно, что  для создания надежной теории, а в данном случае речь идет о теории разрушения горных пород взрывом, необходима четкая физическая концепция, кото-ран может послужить основой для расчетов. Одна из пер-

08 

вых таких концепций  была опубликована профессором Г. И. Покровским в 50-х годах. По его представлениям, в начальный момент взрыва вследствие высокого давле-ния в зарядной камере порода, примыкающая к заряду, сильно сжимается. Выведенные из равновесия частицы породы начинают двигаться в радиальном направлении и смещаются за фронтом волны напряжений, образуя зону сложнодеформированной породы вокруг заряда. Она характеризуется возникновением напряжений, значительно превосходящих временное сопротивление разрыву горных пород, что приводит к появлению радиальных трещин. С увеличением расстояния от заряда напряжения уменьшаются до такой величины, что новые трещины не образуются.

Расширение  зарядной полости, увеличение ее вследствие разрушений и истечения продуктов взрыва через трещины и пустоты приводят к уменьшению давления газов. Доходя до свободной поверхности, волна сжатия отражается и переходит в волну разрежения. Трещины, возникающие от растягивающих напряжений отраженной волны, перпендикулярны направлению ее распространения.

Волну разрежения, возникающую при отражении от свободной поверхности среды, можно рассматривать как волну, распространяющуюся от условного заряда, представляющего собой зеркальное изображение реального заряда относительно свободной поверхности.

Несколько иной механизм взрывного дробления предложил профессор О. Е. Власов, который считал, что если первоначальное нагружение среды осуществляется во фронте волны сжатия, то наибольшие деформации на близких расстояниях от центра взрыва достигаются в материале после прохождения фронта вследствие радиального расширения. Так как материал разрушается в ближней к заряду зоне, то становятся возможными большие радиальные перемещения, и энергия, расходуемая па деформацию среды, существенно превосходит энергию, необходимую для дробления материала среды. В этих условиях возможен процесс дробления внутри области, охваченной фронтом волны сжатия. При дроблении горной породы в процессе деформирования ее за фронтом полны размер куски будет возрастать пропорционально радиусу заряда, так что гранулометрический состав взор-

4* 

 

 

 

V 

 

 

•

 

ванной массы  будет изменяться с масштабом  взрыва. Этот результат непосредственно следует из законов подобия. О. Е, Власов прибег к допущению о несжимаемости среды и мгновенности передачи энергии взрыва окружающей среде и ее распределении в ней. Это позволило для описания поведения среды использовать уравнения гидродинамики, в которых распределение потенциала скорости смещения частиц среды выражено дифференциальными уравнениями Лапласа. О. Е. Власов разработал основы расчета дробления горных пород взрывом, позволяющие теоретически определять грануломстриче-ческий состав взорванной горной массы. Такие расчеты могут быть проведены как для сферических, так и для цилиндрических зарядов, наиболее распространенных в практике взрывных работ.

Недостаток  такого подхода к проблеме дробления  гор-пых пород заключается в том, что не учитываются временные характеристики разрушения и воздействия взрыва на среду и в значительной мере затрудняется определение методов управления энергией взрыва, связанных с изменением временных характеристик взрывного импульса.

В последующих  работах при исследовании процесса разрушения учитывались не только упругие и прочностные свойства горных пород, но и трещиноватость горных массивов.

Японская школа исследователей (Кумао Хино и др.) сделала большой вклад в развитие волновой теории взрыва (применительно к скальным горным породам). В 1956 г. основные положения этой теории и принципы расчета скважинных зарядов были изложены на симпозиуме по механике горных пород.

Согласно  взглядам К. Хино, вокруг заряда ВВ имеется зона раздавливания, которая образуется взрывной волной с давлением на фронте выше прочности породы па сжатие. Вне этой зоны разрушения породы не происходит до прихода отраженной волны растяжения. Прочность породы па растяжение обычно в несколько раз меньше, чем па сжатие, поэтому отраженная волна будет разрушать породу по мере своего продвижения в глубь массива. К. Хино считает, что во взрывную волну переходит только часть энергии от взрыва заряда ВВ — остальная часть энергии уносится расширяющимися газами. Положение

100 

этой теории о решающем значении дробления отраженной волны носит явно полемический характер.

Развивая  эти взгляды, профессор Л. И. Ханаукаев  в начало 60-х годов отметил, что механизмы разрушения горных пород с различной акустической жесткостью (которая представляет собой произведение плотности среды на скорость распространения в ней звука), различны: породы, обладающие большой акустической жесткостью, разрушаются под действием волн, отраженных от свободных поверхностей массива; породы сродней акустической жесткости разрушаются как от действия отраженной волны, так и от действия расширяющихся газов; в породах с малой акустической жесткостью разрушения обусловлены действием расширяющихся газов,

Постановка  вопроса о различном механизме  разрушения сыграла положительную роль в дальнейшем развитии теории действия взрыва на среду. Однако основное допущение, что прочностные характеристики пород находятся в прямой зависимости от их акустической жесткости, не всегда имеет место на практике. При воздействии импульсных нагрузок разрушение не только определяется прочностью горной породы и напряжением на фронте волны, но и в значительной степени зависит от времени приложения нагрузки. Расчетные формулы не учитывают временных характеристик взрывного импульса и поэтому не всегда могут быть использованы при практических расчетах.

Важное уточнение  в схему разрушения внес В. Н. Родионов, который отметил, что модуль упругости (произведение плотности на квадрат скорости звука) для крепких пород (10* МПа) много больше давления в химических ВВ. Следовательно, волны сжатия, создаваемых взрывом в окружающей горной породе, являются слабыми в гидродинамическом смысле: они способны лини, незначительно изменить плотность.

У большинства  твердых тел прочность на 2—3 порядка меньше модуля упругости. Поэтому давление, создаваемое взрывом в среде в непосредственной близости заряда ВВ, намного превышает прочность горных пород и обеспечивает их разрушение.

В 1961 г. Г. И. Баренблатт предложил теоретическую схему решения задач о предельном равновесии хрупких тел с макротрещинами. В се основе — гипотезы автоном-

101 

 

 

ности концевой области трещины, ничтожности размеров концевой области по сравнению с размерами самой трещины и конечности напряжений в тупиковой части. Однако такая схема оказалась непригодной для описания поведения микротрещин, которые в ряде случаев существенно влияют на прочностные свойства среды. М. Я. Леонов и В. В. Панасюк создали новую расчетную модель, дающую возможность исследовать в едином плане равновесное состояние твердого тела, ослабленного как микро-, так и макротрещинами. В случае только макроскопических трещин получается тот же результат, что и в расчетной схеме Баренблатта.

Получила  развитие концепция Л. Ф. Веляева  о зависимости интенсивности разрушения от запаса энергии ВВ, приходящейся па единицу объема разрушаемой горной породы. Она подтверждена многочисленными и экспериментальным и производственными данными. В работах Г, Т1. Демидюка показана зависимость энергии действия взрыва цилиндрического заряда, не только от различии в удельной энергии ВВ, но и от плотности заряжания, увеличивающей объемную концентрацию энергии; на степень дробления горной массы (гранулометрический состав) наряду с длительностью импульса решающее влияние оказывают геометрические параметры расположения зарядов; управление ими повышает долю общего запаса энергии, затрачиваемую на дробление породы.

В конце 50-х  годов Л. С. Компапеец решил задачу взрыва заряда камуфлета в легко деформируемых средах (типа песчаного грунта). В предложенной им схеме наиболее плотно учтены свойства грунта и продуктов взрыва. Важно отметить, что затухание волны на фронте находится в этой схеме в прямой связи с продуктами взрыва.

В начале 60-х  годов велись успешные исследования действия взрыва в грунтах (С. С. Григорян, М. М. Докучаев, Г. М. Ляхов, В. Н. Родионов), и, в частности, по уплотнению грунтов взрывом (II. М, Сытый, Г. К. Акутин, Л. А. Вовк).

В 1963 г. В. И. Мосинец сформулировал общий энергетический закон дробления горных пород взрывом, в соответствии с которым процесс разрушения характеризуется наличием строго определенного предела энергоемкости дробления, зависящего от механических свойств

102 

горных пород, статистической функции распределения в среде естественных трещин и развиваемых в процессе дробления деформаций. Спустя 10 лот Мосинец доказал, что открытое явление предельной энергоемкости физически объясняется созданием в разрушаемой среде такой удельной плотности энергии, при которой по всему разрушаемому объему наблюдается равномерное и устойчивое распространение трещин со скоростью, близкой к волнам Релея в режиме, соответствующей предельной скорости перевода упругой энергии в поверхностную энергию трещин.

Явление предельной энергоемкости позволяет по-новому объяснять ряд явлений дробящего и метательного действия взрыва.

В 1960 г. па основе большого объема экспериментальных исследований Гилвари установил статистические закономерности процесса разрушения хрупких тел при импульсных нагрузках. Несколько позднее аналогичные разработки выполнил В. М. Кузнецов.

Таким образом, к началу 70-х годов в области  теории разрушения горных пород взрывом был накоплен большой и ценный материал. В этот период на основании статистической теории разрушения В. М. Комир и В. С. Кравцов разработали расчетные формулы, позволяющие оценить ожидаемые средние размеры кусков, образующиеся при воздействии па среду заданного импульса напряжений. Из этих же условии была получена форма оптимального импульса напряжений, обеспечивающего требуемую интенсивность дробления материала в рассматриваемой зоне. Выведенная В. М. Копиром и В. С. Кравцовым математическая зависимость устанавливает взаимосвязь между прочностными характеристиками материала, величиной создаваемых напряжений, длительностью импульса и требуемым размером куска,

В 70-е годы развитие теоретических представлений механизма разрушения базируется на обширных экспериментальных исследованиях. Для их проведения были разработаны способы и средства скоростной фоторегистрации процесса разрушения, методы регистрации параметров поли напряжений, определения скорости развития трещин в горных породах.

Созданию  средств регистрации для исследования процесса разрушения хрупких материалов при взрыве в лабо-

 

раторных  условиях способствовала разработка методов моделирования действия взрыва в горных породах. Большой вклад в формирование научных основ моделирования внесли Л. И. Седов, Г. И. Покровский, О. Е. Власов, В. И. Родионов. В последние годы предложены критерии подобия при моделировании процесса разрушения, учитывающие распределение неоднородностей, микротре-щип и дислокаций. Соблюдение этих критериев позволяет моделировать распределение гранулометрического состава при дроблении реальных горных пород.

Теоретические основы действия взрыва в горных породах позволили четко сформулировать главные направления научных исследований: во-первых, это механизм передачи энергии взрыва окружающей твердой среде, во-вторых, повышение удельного расхода энергии взрыва на дробление; в-третьих, повышение энергии самих ВВ и воздействие на механизм процесса химической реакции взрывчатого разложения.

Благодаря теории разрушения горных пород в массиве родилось понятие об управлении действием взрыва. Известно, что работа взрыва была бы гораздо эффективнее, если бы большая часть его энергии расходовалась по назначению — на дробление материала. К сожалению, доля энергии на полезные формы работы взрыва составляет 5—15%. Остальная энергия идет на необратимое деформирование (и, следовательно, нагрев) твердой среды и ее перемещение, а также теряется с газами взрыва. Наибольшей деформации подвергается материал в зоне, близко расположенной к заряду. Это происходит уже после того, как фронт волны уходит на значительное расстояние.

Для разрушения горных пород имеет значение не только количество энергии, заключенной в заряде, по и способ ее передачи окружающему массиву: именно быстрота, кратковременность передачи энергии ведет к огромным се потерям (например, на необратимые пластические деформации) в начальной стадии. Следовательно, в общем виде задача сводится к тому, чтобы увеличить время выделения энергии от взрыва заряда (пли группы зарядов). С другой стороны, необходимо улучшить условия передачи энергии заряда ВВ в разрушаемую среду и увеличить начальные напряжения. Такую задачу удается решить путем изменения внутренней газодинамики расширения продуктов детонации в зарядной камере.

 

 

На основе этих принципиальных выводов получили научное содержание методы управления действием взрыва: заряды с воздушными промежутками, многократное инициирование заряда ВВ в скважине, создание ВВ на основе крупнодисперсной (гранулированной) аммиачной селитры и дизельного топлива.