Взрыв: история, практика, перспективы

ВЗРЫВЫ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Ничтожна толщина земной коры в масштабе нашей планеты. Однако эта относительно тонкая оболочка не только уверенно несет на своих плечах груз человеческих цивилизаций — каменные города-гиганты весом миллиарды тонн, но также и является единственной огромной кладовой минеральных богатств. Глубокие и сверхглубокие шахты, котлованы карьеров, площадью в десятки квадратных километров, сотни тысяч буровых скважин ежегодно выкачивают либо выдают «на-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, но 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, взрывные работы приобрели повсеместное распространение. Только за 60-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-лептен 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 разрежения (торможение и движение в противоположную сторону). Так 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 ске^ лет, газ, жидкость) в каждом конкретном случае индивидуальны. Даже незначительное по объему количество

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

Грунты и горные породы обладают упругостью, пластичностью, вязкостью и другими свойствами, которые зависят от характеристик породообразующих минералов, пористости породы, особенностей среды, заполняющей поры. Во многом все эти свойства определяются происхождением пород. Например, магматические и метаморфические горные породы гораздо менее сжимаемы, чем осадочные, обладающие более высокой пористостью. При нагружениях до 10 кг/см они имеют незначительные остаточные деформации, и в этих пределах давлений их можно отождествить с вязкоупругой средой. Высокопористые же осадочные породы можно рассматривать как визкопластичные среды.

Полезно отметить, что при давлениях, превышающих 10 кг/см, в горных породах изменяется кристаллическая структура и происходят полиморфные превращения. Ударное сжатие порождает многочисленные центры образования новой фазы. Если порода кристаллическая, то перекристаллизация вещества идет от многих центров. Возникает несколько ударных фронтов, движущихся один за другим с разными скоростями.

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


::Следующая страница::