Автор: Адушкин В.В. Спивак А.А.
Теги: горные работы при разработке месторождений полезных ископаемых горное дело взрывчатые вещества
ISBN: 5-247-02515-6
Год: 1993
Текст
В. В. АДУШКИН А.А.СПИВАК
КРУПНО-
I
УДК 622.235
Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов.- М.:
Недра, 1993.- 319 с: ил.- ISBN 5-247-02515-6
Рассмотрены закономерности деформирования твердой среды при взрывных
воздействиях. Приведены фильтрационные и гранулометрические характе-
характеристики разрушенной взрывом горной породы, а также новые данные о пара-
параметрах и характере протекания релаксационных процессов в геофизической
среде, инициированных крупномасштабным взрывом. Охарактеризованы гидро-
гидрогеологические эффекты подземного взрыва, гидродинамические особенности
подземного выщелачивания металлов из отбитой рудной массы.
Для специалистов горнорудных институтов и предприятий.
Табл. 24, ил. 194, список лит.- 92 назв.
Федеральная целевая программа книгоиздания России
2502010300-
043@1) - 93
ISBN 5-247-02515-6
63-93
© В.В. Адушкин, А.А. Спивак, 1993
ВВЕДЕНИЕ
Значительные механические напряжения, достигаемые в среде
при подземных взрывах, вызывают ряд явлений, каждое из кото-
которых в зависимости от конкретной практической задачи
представляет определенный интерес. При этом деформирование и
разрушение массива горных пород являются наиболее значимыми
проявлениями взрывного воздействия.
Возможность прогнозирования и управления действием
подземного взрыва в первую очередь связана с учетом особен-
особенностей строения реальной геофизической среды. Структурную
неоднородность следует рассматривать в качестве одной из
наиболее важных характеристик массивов горных пород, опреде-
определяющих основные особенности их деформирования при внешних
динамических возмущениях. Неоднородность, провляющаяся в ви-
виде естественных структурных нарушений и зон ослабления проч-
прочности (тектонические разломы, линеаменты*, трещины разного
уровня, слоистость и т.п.), помимо геометрических характери-
характеристик структурного строения (размер и форма блоков) определя-
определяет деформационные, прочностные и фильтрационные свойства
массивов горных пород, которые играют важную роль в формиро-
формировании отклика среды на внешнее воздействие.
История образования и развития каждого породного массива
определяет конкретную иерархию структурных нарушений и, как
следствие, - его блочную структуру 154]. Реальный породный
массив как геофизическая среда изначально характеризуется
структурной неоднородностью в широком диапазоне характерных
размеров: от 10"8 м (дефекты кристаллической решетки поро-
породообразующих минералов) до Ю6 м (протяженность наиболее
крупных тектонических разрывов) [55]. Это определяет не
только широкий спектр размеров структурных элементов, но
также особенности механического действия подземного взрыва
на разных расстояниях от источника.
Блочное строение реальной геофизической среды приводит к
существенно неоднородному характеру ее деформирования в ре-
результате внешних динамических воздействий. Действительно,
пространственно средняя деформация среды складывается в этом
случае из деформации горной породы (блоки) и деформации ма-
материала - заполнителя промежутков. Поскольку заполнитель,
как правило, представляет собой легко деформируемый, менее
прочный (по сравнению с горной породой) материал, деформи-
деформирование блочной среды осуществляется преимущественно по
поверхностям и зонам ослабления.
*3оны ослабления прочности породного массива» представляющие собой
сильно раздробленную в результате естественных тектонических движений
торную породу.
3
Касаясь исследования действия подземного взрыва на геофи-
зическую среду, следует отметить два аспекта: первый -
ходимость изучения механических последствий взрыва, что име-
имеет непреходящее оборонное и народнохозяйственное значение, и
второй - возможность изучения поведения (закономерностей де-
деформирования, релаксации и т.п.) структурно-неоднородной
геофизической среды на разных масштабных уровнях, что может
отчетливо проявиться именно при высокоэнергетических искус-
искусственных воздействиях.
Накопленный к настоящему времени большой эксперименталь-
экспериментальный материал выявил недостаточность представлений, основан-
основанных на законах механики сплошной среды и линейной упругости,
для описания процессов, связанных с деформированием реальных
твердых сред. Основная особенность деформирования блочной
среды, определяемая возможностью относительной подвижки бло-
блоков вдоль тектонических нарушений, не может быть описана на
основе континуальных представлений. Действительно, наличие в
породных массивах структурных неоднородности значительно
усложняет описание и прогнозирование последствий взрывного
воздействия, приводит нередко к неожиданным эффектам, свя-
связанным с локальными разрушениями среды, причем на таких рас-
расстояниях от взрыва, где сильные проявления не прогнозируются
[59]. Последнее особенно важно учитывать при защите особо
ответственных объектов, а также обеспечении безопасности
крупномасштабных подземных взрывов, включая вопросы выхода
газообразных продуктов взрыва в атмосферу.
Всестороннее изучение механического действия подземного
взрыва в его различных проявлениях невозможно без разработки
;его методического подхода к исследованию взрывных процес-
процессов в твердой среде. При этом необходимо, чтобы используемые
методы исследований в совокупности позволяли составить не-
некоторое законченное представление о характере развития про-
процесса.
В настоящей работе рассматривается механическое действие
подземного взрыва во всех его проявлениях.
Основные закономерности и последствия взрывного воз-
воздействия рассматриваются с точки зрения возможности прог-
прогнозирования особенностей деформирования реальной геофизи-
геофизической среды, ее разрушения на разных расстояниях от взрыв-
взрывного источника, изменения фильтрационных свойств, что важно
как при оценке безопасности проведения крупномасштабных
подземных взрывов, так и при обосновании, их использования в
нетрадиционных технологиях.
Лабораторное моделирование подземного взрыва проводилось
с целью изучения основных качественных связей и возможности
прогнозирования последствий подземного взрыва в скальных
массивах.
IIHI
1. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ
ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УСЛОВИЙ ВЗРЫВА
1.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ СРЕДЫ
ПРИ КАМУФЛЕТНОМ ВЗРЫВЕ
Деформирование твердой среды при взрыве является одним из
основных проявлений взрывного воздействия, следствием кото-
которого в свою очередь являются многочисленные механически не-
необратимые изменения, происходящие в окрестности взрывного
источника, такие как образование камуфлетной полости, разру-
разрушение среды и т.п. При взрыве в газообразных средах и в воде
параметры движения среды являются основными характеристиками
взрывного воздействия - его масштаба и интенсивности. По
этой причине исследование законов движения при взрыве в сла-
слабосвязанных средах является первостепенной задачей. Отличие
подземного взрыва заключается в невозможности описания всех
проявлений взрывного воздействия на основе только парамет-
параметров деформирования среды. Изучение закономерностей движения
среды имеет в этом случае самостоятельное значение только
при установлении сейсмических характеристик взрывного воз-
воздействия. Однако с точки зрения методологии исследования
взрывных процессов определение особенностей деформирования
твердой среды позволяет устанавливать недостающие связи (как
качественного, так и количественного характера) между пара-
параметрами взрывного воздействия, которые необходимы при описа-
описании самых разных проявлений подземного взрыва, в том числе и
разрушения взрываемой среды. К этому следует добавить, что
знание закономерностей воздействия с учетом условий проведе-
проведения взрыва в рамках единого представления на основе неболь-
небольшого количества определяющих' параметров. Последнее значи-
значительно упрощает описание и прогнозирование основных проявле-
проявлений взрывного воздействия в твердой среде.
Разработанные методы регистрации взрывного движения как
при натурных взрывах, так и в лабораторном эксперименте
[63, 64] позволяют с достаточной для практических целей
точностью установить параметры деформирования твердой среды
при взрывах разного масштаба.
С точки зрения описания явления наиболее простым является
взрыв сосредоточенного заряда на большой глубине (камуфлет-
ный взрыв). В этом случае можно считать, что явление разви-
развивается в безграничной среде и при описании приемлемо сфери-
сферически симметричное представление.
Быстрое расширение газообразных продуктов подземного
взрыва приводит к образованию области нестационарного де-
деформирования среды. Причем внешней границей указанной об-
5
ласти является фронт возмущения, распространяющийся по с^еде
со скоростью, близкой к скорости звука в массиве (за ис-
исключением зоны, непосредственно примыкающей к полости, где
скорость распространения возмущений определяется их интен-
интенсивностью). Возникающее в среде напряженно-деформированное
состояние имеет волновой характер и описывается параметрами
волны сжатия. В результате многочисленных экспериментов
установлено, что эпюра массовой скорости на фиксированном
расстоянии от места взрыва г (зависимость массовой скорости
от времени) имеет форму, близкую к треугольной, и характе-
характеризуется тремя параметрами: временем нарастания массовой
скорости до максимального значения в, длительностью поло-
положительной фазы движения т (движение от центра взрывам и
максимальной массовой скоростью в волне сжатия vo.
Геометрическое расхождение волнового движения и происхо-
происходящие в области, охваченной волной, диссипативные процессы *
приводят к падению интенсивности взрывного деформирования
по мере удаления от места взрыва. Максимальные массовые
скорости в среде^ полученные при изучении мощных камуфдет-
ных взрывов, описываются в зависимости от расстояния до
места проведения взрыва г обобщенной зависимостью
-по
= A(r/ql/3) ,
где А и по - некоторые константы, отличающиеся для разных
сред и зависящие, вообще говоря, от условий проведения взры-
взрыва; q - тротиловый эквивалент взрыва, кг; г - расстояние, до
места взрыва, м.
Ниже приведены значения констант А и п0 для некоторых
горных пород [36, 51]. Следует отметить, что параметр к0 в
отличие от коэффициента А практически не зависит от гипа
горной породы.
Горная порода
* # •
* #
* *
* *
Гранит
10-13
1,6-1,75
Соль
8-10
1,6
Туф
3-4
1,6
после прохождения взрывной волны сжатия частицы среды не
возвращаются в исходное положение, а занимают новое, отлича-
отличающееся от первоначального на величину так называемого оста-
остаточного смещения, обусловленного необратимостью деформирова-
деформирования среды в ближней зоне взрыва. Чтобы иметь представление о
величине достигаемых при; взрыве остаточных смещений частиц
среды W, на рис. 1.1 представлены зависимости Щг), полуден-
полуденные в результате экспериментального исследования подзем-
подземных ядерных взрывов "Шоул" и "Хардхэт" [74]. :
В связи с тем, что основной целью взрывных работ в горно-
Рис. 1.1. Зависимость приведенных ос-
остаточных перемещений в среде от при-
приведенного расстояния:
J, 2 - эксперименты "Хардхэт" и "Шоул"
/
добывающей промышленности является разрушение массива пород,
определенный интерес представляет рассмотрение всех парамет-
параметров взрыва (в том числе и параметров движения среды) с точки
зрения предсказания и установления характеристик, непосред-
непосредственно связанных с происходящей фрагментацией первоначально
сплошной среды.
Получить достоверные сведения о параметрах движения среды
в зоне разрушения натурного взрыва по методическим причинам
не удается. В связи с этим для изучения взрывного воздейст-
воздействия в ближней к заряду зоне был привлечен лабораторный экс-
эксперимент, позволяющий в деталях рассмотреть явления, сопут-
сопутствующие взрыву, а в некоторых случаях сделать качественные
;ения применительно к крупномасштабному взрыву.
г
Следует отметить, что изучение взрыва в реальной горной
породе связано с многочисленными трудностями, возникающими в
основном из-за необходимости размещения датчиков регистри-
регистрирующей аппаратуры в образцах породы, и в связи с этим нару-
нарушением сплошности последних, что исключает применение микро-
микровзрывов в качестве источников возмущения. По этой причине
реальные породы при моделировании используются редко. Чаще в
качестве среды выбирается более или менее однородный матери-
материал, близкий по своим свойствам к естественным горным породам
и удобный в обращении при постановке лабораторного экспери-
эксперимента. В данном случае такими материалами явились канифоль,
«II I И
до
тиосульфат натрия и плексиглас. В экспериментах использова-
использовались сферические заряды из тэна массой от 1,7-10
2.6 -10 кг (плотность ВВ 1500 кг/м3).
Результаты измерения показали, что область взрывного де-
деформирования можно разбить на две самостоятельные, отличаю-
Рис. 1.2. Осциллограммы массовой скорости в ближней (а) и дальней v6)
зонах взрыва
; ft, с/Л
t/S
Рис. 1.3. Зависимость приведенной
длительности положительной фазы
движения (а) и времени нарастания
волны (б) в тиосульфате (Л 2) и
плексиглазе C, *) от приведенного
расстояния при взрыве зарядов ВВ
массой (кг):
1 - 7,8 -10, 2 - 1,7 "Ю-* 3 -
4-10"*, 4 - 2,6' 10
щиеся характером деформирования среды во времени: на рас-
расстояниях, меньших некоторого г - Лф, наблюдается движение
среды только от центра взрыва (типичная осциллограмма мас-
массовой скорости, полученная в ближней к заряду области, при-
приведена на рис. 1.2, а), на расстояниях г > R+ фаза движе-
движения от центра сменяется фазой возвратного движения среды
(рис. 1.2, б), причем амплитуда возвратного движения имеет
тенденцию к увеличению с расстоянием до взрыва. Радиус ха-
характерной области R^ составляет 11-13 радиусов заряда для
тиосульфата натрия на 4-5 радиусов, заряда для плексигласа.
Полученные эпюры массовой скорости показывают, что ус-
ускорение частиц среды при разгоне вещества превосходит ус-
ускорение при торможении в 6-7 раз. Это хорошо видно из
рис. 1.3, на котором представлены приведенные времена на-
нарастания 90 - 9/ql/* (кривые б) и длительности положитель-
положительной фазы движения т0 «= т/д1^ (кривые а) в зависимости от
приведенного расстояния г0 » r/R0, где Ro - радиус заряда
ВВ. Отметим, что длительность положительной фазы движения
почти на порядок превосходит время нарастания.
8
400
0,4 -
2
•-2
9-3
- 4
20 ¦ 40 ra*r/R,
Рис 1.4. Зависимость максимальных массовых скоростей в тиосульфате
(/, 2) и плексиглазе E, 4) от приведенного расстояния (пунктирная ли-
линия - максимальные массовые скорости в канифоли)
Несмотря на то, что вблизи заряда существует область яв-
явного разрушения среды, на эпюрах массовых скородей не при-
присутствует какой-либо признак происходящего в среде необрати-
необратимого изменения, вызванного разрушением материала. Этот факт
может служить указанием на то, что либо разрушение материала
среды вообще не нарушает сплошности движения, либо изменение
параметров движения на фронте разрушения (если таковой четко
выделяется) пренебрежимо мало.
В дальнейшем будем обозначать: R - радиус "фронта" волны
(координаты, в которых частицы среды обладают в данный мо-
мент времени скоростью vo), uo(r) - максимальное перемеще-
перемещение частиц среды на расстоянии г от взрыва, /о = r/Ro,
Обратимся к полученным результатам. На рис. 1.4 приведены
изменения максимальных массовых скоростей в среде с расстоя-
расстоянием. Видно, что как для тиосульфата натрия, так и для
плексигласа можно выделить две области, отличающиеся степе-
степенью затухания волны сжатия с расстоянием: вблизи заряда ик
расстояниях г0 < 12,5 для первой среды и г0 > 5>5 для второй
затухание массовой скорости по амплитуде более сильное, чем
на больших расстояниях. Следует отметить, что начиная с этих
же расстояний в волне сжатия формируется фаза возвратного
дзижения. О предполагаемой физической основе существования
границы г * Q будет сказано ниже.
Обработав экспериментальные данные; получаем следующие за-
зависимости между максимальной массовой скоростью и
расстоянием:
го при го > гф,
о при го > гт.
A.1)
Значения констант аоУ bo, no и р приведены ниже.
Константа оо bo «о Р /о So
Тиосульфат 2300 760 2,16 1.71 0,23 1,
Плексиглас 3400 1250 2,14 1,57 0,17 1,57
Приведенные на рис. 1.4 результаты экспериментов показы-
показывают, что максимальные массовые скорости, полученные при
взрыве разных по массе зарядов, в приведенных координатах
ложатся на единую зависимость. Это в очередной раз под-
подтверждает правомерность использования принципа геометриче-
геометрического подобия для оценки параметров волнового движения при
камуфлетных взрывах разного масштаба.
Для сравнения на рис. 1.4 приведены результаты измерений
максимальной массовой скорости в канифоли [68]. Как и в слу-
случае других сред при взрыве в канифоли на кривой vo(r) выде-
выделяются две области по степени изменения массовой скорости с
расстоянием. При этом следует отметить, что несмотря на зна-
значительное отличие механических характеристик используемых
модельных сред максимальная массовая скорость, а также сте-
степень ее изменения с расстоянием в прилегающей к заряду обла-
области не сильно отличаются для всех трех сред. Что касается
дальней зоны движения среды, то здесь степени затухания вол-
волны в разных средах заметно отличаются. Малая чувствитель-
чувствительность амплитуды и степени затухания волны в ближней зоне
10
Рис. 1.5. Зависимость приведенного сме-
щения частиц среды ш волне сжатия со
временем на относительных расстояниях
r/Rot
1 - 4: 2 - 6; 3 - 8; 4 - 10
0,5 f,0
(t-r/o
взрыва к свойствам среды ограничивает возможности для ис-
использования характеристик взрывного движения в качестве ис-
источника информации об особенностях фрагментации того или
иного материала. Параметры движения при взрыве в качественно
разных средах практически не отличаются (имеется в виду
ближняя к заряду зона). Однако при определении энергетиче-
энергетических и интегральных характеристик разрушения материала среды
знание параметров взрывного деформирования оказывается весь-
весьма полезным.
Волновое возмущение, распространяющееся по среде, приво-
приводит к смещению частиц среды относительно их первоначального
положения. По эпюрам массовых скоростей легко определяется
величина перемещения частиц среды р каждой точке пространст-
пространства со временем
- J1
о
где w * t - гIс - время, отсчитываемое с момента прихода
волны на рассматриваемое расстояние г; v - массовая ско-
скорость.
В качестве иллюстрации на рис. 1.5 представлены зависи-
зависимости и@)) для некоторых расстояний (тиосульфат натрия).
Для времен to 4 т/4 экспериментальные точки не нанесены, в
связи с тем, что они легли на усредненные зависимости,
обозначенные на рисунке сплошной линией.
Особый интерес представляет совместное рассмотрение мак-
максимальных uq и остаточных перемещений W в среде при взрыве.
Поскольку в области г < R+ в волне не наблюдается возвратно-
11
4.0
0,4
0,1
0,04
0,01
0,004
о-/
-2
0-5
Рис. 1.6. Зависимость приведенных максимальных A - 4)
перемещений в среде при взрыве (обозначения см. рис 1.3)
I
го движения (точнее оно пренебрежимо мало [36]), вбл
ряда справедливо соотношение
за-
S vdu> - S
о о
W.
ост.
на рис. 1.6 и
-So
вследствие возникновения возвратного движения
е перемещения меньше максимальных,
te перемещения в среде (м/кг173), иолуче*
[рнрованием эпюр массовых скоростей, приведены
:я во всей области взрывно^ движения
ио/д1/3 - For
рис 1-7. Зависимость массовой
от приведенного расстояния г/До:
/ - R/Ro - 5; 2 - 8;„ 3 - 11;
5 - 27
скорости
- 22;
100
го
о /
• г
• 5
10
w
го
Значения констант /о и 5о приведены на стр. 10.
Остаточные перемещения при взрыве W представлены на
рис. 1.6 только для тиосульфата. Однако для обеих сред
(тиосульфата натрия и плексигласа) справедливо соотношение
ще
- максимальное смещение границы г - R+.
Как уже отмечалось, на эпюрах массовых скоростей не на-
наблюдается особенностей, связанных с началом разрушения мате-
материала среды. Другими словами: движение каждого фиксирован-
фиксированного элемента среды во времени имеет гладкий характер. Одна-
Однако из этого не следует, что разрушение не может проявляться
на пространственных характеристиках взрывного движения. По-
Поскольку вредряемый в среду датчик электромагнитной методики,
вследствие своей значительной протяженности, фиксирует неко-
некоторую среднюю скорость движения частиц, расположенных вдоль
его длины, по полученным осциллограммам нельзя составить
представления о движении каждой отдельности, образовавшейся
в процессе взрывного разрушения материала. Таким образом с
помощью электромагнитной методики измерений можно получить
только некоторую усредненную скорость движения среды на фи-
фиксированном расстоянии г. Другой вид усреднения происходит
при измерениях на натуре, когда вследствие малого количест-
количества редко расположенных датчиков мы не можем выделить дви-
13
II II
жение конкретной отдельности, хотя ясно, что каждый датчик
пишет движение куска породы, на котором он закреплен.
В каждый фиксированный момент времени на основании эпюр
массовых скоростей, полученных на различных расстояниях от
взрыва, можно построить распределение массовой скорости за
«том волны. Результаты такого построения представлены на
рис. 1.7 (тиосульфат натрия), откуда видно, что на простран-
пространственных распределениях скоростей также не присутствует ка-
каких-либо ярко выраженных особенностей (изломов или скачков),
которые можно шло бы сопоставить с расположением фронта
разрушения в данный момент времени. Распределения v(r) носят
гладкий характер (с точностью разброса экспериментальных
данных), причем вблизи фронта волны имеет место степенная
зависимость
v(r)
A.2)
Для R < ISRo написанное соотношение справедливо во всей
области движения среды. Показатель степени ко в этом случае
близок к 1, 4. При R > \5Ro по мере увеличения радиуса фрон-
фронта волны показатель степени ко в области, прилежащей к фрон-
фронту, падает.
Потеря связности и образование блочной структуры в перво-
первоначально сплошной среде при взрывном разрушении неизбежно
должны приводить к изменению плотности среды в результате
взрыва, б этом смысле представляет определенный интерес рас-
рассмотрение плотности среды, что возможно на основе имеющихся
данных по массовым скоростям.
По известному полю перемещений в каждый фиксированный
момент времени легко определяется плотность вещества р(и>)
на данном расстоянии от взрыва. Вследствие сохранения массы
вещества имеем
P(w)
На рис. 1.8 приведена зависимость р/ро Лр/ро - 1 от вре-
времени для некоторых расстояний г. Отметим, что максимальное
уплотнение вещества при взрывном движении достигается при
о> » 0, т.е. в момент достижения максимальной массовой ско-
скорости. Затем плотность падает и к концу движения материал
разуплотняется. Распределение конечной плотности с расстоя-
расстоянием от взрыва приведено на рис. 1.9, откуда видно, что
практически во всей характерной зоне г < Rt среда после
взрыва разуплотнена (с учетом того, что радиус образовав-
образовавшейся полости составляет 3Ro), причем степень разуплотнения
уменьшается по мере приближения к внешней границе г = R
не волны сжатия в среде неизбежно приводит к
игии в пространстве. Изменение потока энергии
14
ряс 1.5. Изменение плотности среды в
волне сжатия со временем на разных отно-
относительных расстояниях г/Ло от взрыва:
1 - r/Ro - 6; 2 - 8; 3 - 10
Лр//>„,%
1
•К
0
Рис 1.9. Изменение остаточной плотности
среды от приведенного расстояния
0,2
О
-0,2
, %
Ю
15
г/Н0
по мере удаления от
ж> расхождени
«дования энергии
зоне. Поток кие
места взрыва
[ волны
ПРИ Д1
tit I
волны сжатия
:рез по-
Q
к
Anr1 J pv
О
характеризует затухание волны по кинетической энергии.
Величина д., вычисленная по эпюрам массовых скоростей при
условии р « const, приведена на рис. 1.10 в отношении
к полной энергии взрыва Ео и описывается для обеих сред -
тиосульфата натрия и плексигласа - единой зависимостью
Рис. 1.10* Поток кинетической энергии при взрыве
в тиосульфате (i) и плексиглаэе B) в зависи-
fOr. \* мости от приведенного расстояния
1,0
0,4
к
о-2
о
:
1.2. ВЛИЯНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
НА ВЗРЫВНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ СРЕДЫ
Наличие свободной поверхности вблизи взрывного источника
приводит к значительному усложнению анализа волнового движе-
движения при подземном взрыве. Волна разрежения, формирующаяся
при выходе волны сжатия на свободную поверхность, ведет к
ослаблению волны, распространяющейся в глубь среды и являет-
является причиной возникновения поперечной составляющей движения
в приповерхностной области. Таким образом при взрыве даже в
однородной среде, но со свободной границей необходимо учи-
учитывать одновременно несферичность поля движения и наличие
двух типов волн. Несмотря на это, при малозаглубленном
взрыве удается выделить область, в которой свободная по-
поверхность не оказывает непосредственного влияния на гео-
геометрию деформирования среды олизи фронта волны нагрузки. В
случае приповерхностного взрыва указанная область ограничена
боковой поверхностью конуса с вершиной в центре взрыва и
углом при вершине я/2 (в предположении равенства скоростей
распространения волн нагрузки и разгрузки). Наличие ука-
указанной области позволяет изучать волну сжатия, распростра-
распространяющуюся в глубь среды независимо от процессов, происходящих
в области непосредственного влияния свободной поверхности,
16
где осуществляется наложение поперечного и радиального
движений. Однако такой подход справедлив пря небольших за-
заглублениях заряда, когда кривая фронта разгрузки не сильно
отличается от кривизны фронта нагрузки.
Наличие свободной поверхности существенно видоизменяет
форму и основные параметры взрывного сигнала, распространяю-
распространяющегося в глубь твердой среды, что в свою очередь неизбежно
сказывается на дисснпативных процессах в самой волне сжатия.
Следует отметить, что искусственное создание близко располо-
расположенной к заряду свободной поверхности в модельных экспери-
экспериментах позволяет заметно изменять параметры взрывного источ-
источника и рассматривать распространение волн различной конфигу-
конфигурации (при постоянной начальной амплитуде нагрузки удается
существенно изменить ее длительность). Помимо этого присут-
присутствие близкой к источнику взрыва свободной поверхности
позволяет выяснить вопрос о влиянии "сильной" пространст-
пространственной неоднородности на параметры волнового движения, что
важно знать при оценке влияния структурных неоднородностей в
среде на средние характеристики взрывного движения.
Подробный теоретический анализ напряженно-деформирован-
напряженно-деформированного состояния среды при точечном взрыве в присутствии
свободной поверхности представлен в работе [39]* В настоящих
исследованиях в целях установления влияния свободной по-
поверхности на формирующееся в твердой среде взрывное возму-
возмущение проводился модельный эксперимент. Схема опыта пред-
представлена на рис. 1.1 L Заряд ВВ располагался вблизи сво-
свободной поверхности на различном относительном удалении
1) - h/RQ, где h - расстояние от центра взрыва до свободной
поверхности.
Волна сжатия, распространяющаяся в глубь материала среды,
регистрировалась в области, ограниченной конусом разгрузки.
В качестве источников взрыва использовались сферические за-
заряды из тзна за исключением случая накладного полусфериче-
полусферического заряда (тг) * -0,5), когда использовались половинки тех
же зарядов.
1*11.
Схема опыта:
ВВ (пунктиром обозначено расположение
> заряда); 2 - проволочный датчик; 3 -
поверхность
17
200
100
40
20
10
-4
? -7
10
20
40 r/J?c
Рис. 1.12.
>ростей от приведена
зависимость максимальных массовых ci
расстояния в тиосульфате:
д, 10 кг; Л 3, 5 • 0,78 A} - 1; 0; -0,5); 2, 4, 6 - 0,4 G) - 1;
-0,5); 7 - 2,6 G} - -0,5); пунктирной линией обозначена зависимс
Vo(r/Ro) для камуфлетного взрыва (Т) —* со) .
Эпюры массовых скоростей, полученные при малозаглубленн
взрыве, качественно не отличаются от эпюр, полученных л
взрыве заряда-камуфлета, и по этой причине не приводят
Следует только отметить, что при взрыве свободной поверх]
сти фаза возвратного движения на эпюрах массовых скорое
присутствует во всей области движения среды в отличие от
муфлетного взрыва Со -*¦ «>)¦
Полученные экспериментально значения максимальной мае
вой (м/с) скорости приведены на рис. 1.12 и 1.13 для разл
18
рис. 1.13. Зависимость максимальных мас-
максимальных массовых скоростей в плексигласе от при-
от приведенного расстояния:
1 - Т) - 0; q - 0,78 • 10~3 кг; 2 - Т) -
- -0,5, Q - 0,78* 10 кг; 3 - 7} - -0,5,
q - 0,4" 10 кг; пунктирная линия -
зависимость Ц)(г/Ло) при 7} —¦ оо
400
200
100
40
20
10
о-2
• -5
10
20ro*r/R.
Таблица
1.1
Коэффициенты эмпирических зависимостей при
малозаглубленном взрыве в модельных средах
Константа
01
bi
«1
Pi
Относительное заглубление 7)
-0,5
^BBBBBBBBBi ¦ Р ^^^^Ш^ф^^^
0
^^^^BBBBJBBBJB^BBBBB^_^^BBBBBBBBJ|BkBBBBBBhta^
1
IBBBHBBBJBBBBBBBBBb^h^^BBBBBBBB^PW^BBBBBA^^BBBH
Тиосульфат нацгрия
2800
440
2,57
1.71
9
2700
600
2,34
1,69
10,5
2500
700
2,22
и
11,5
-0,5
вв^^^^^^
0
ВВВ^вЧ-М*^и^**^ВВВВВВВВВВ^н^^Р^^м
Плексиглас
870
1,54
4
3500
1050
2,28
1,53
5
ных заглублений. Аналитически полученные зависимости
представим в виде
Пу
при го < г*,
^ при го > г*.
Значения констант аи bi7 m, pi и параметра г* приведены
в табл. 1.1,
19
Отметим, что под значением коэффициента ai при малоза
глубленном взрыве не следует понимать массовую скорость
границе среда - заряд, так как закон изменения массовые
скоростей вне зависимости от заглубления совпадает в не
которой области г0 < яф, где а* - функция параметра т),
законом для т> —»¦ со. Действительно, в результате распад
разрыва на границе среда - ПД в среде формируется возму
щение, амплитуда которого определяется свойствами среды i
используемого ВВ [66]. '
До момента прихода возмущения (волны разгрузки) от сво>
бодной поверхности амплитуда взрывной волны сжатия в сред
не зависит от заглубления и совпадает по величине с амплиту
дой волны, генерируемой камуфлетным взрывом. Поскольку волк
разгрузки от свободной поверхности распространяется со ска
ростыо звука в напряженной среде (за фронтом прямой волм
сжатия), которая превышает скорость звука в разгруженном м?
териалс, дополнительное по сравнению со случаем i) г* « о
лабление амплитуды волны, вызванное наличием свободной пс
верхности, происходит, начиная с расстояния д*. Конкретны
значения параметра а* определяются величиной заглубления,
также временем прихода возмущения от свободной поверхности
границе среда - продукты детонации. Значения параметра a
рассчитанные в соответствии с зависимостями, представленным
на рис. 1.12 и 1.13, приведены ниже. "
¦
¦
Среда
Тиосульфат
натрия
-0,5 0
1,6 2
1
2,8
Плексиглас
-0,5 0
1.4
Приход волны разгрузки от свободной поверхности к очаг
взрыва ведет к заметному сокращению длительности волновог
движения по сравнению со случаем у ~* со. Причем, чем ближ
источник взрыва находится к свободной поверхности, те!
большее влияние она оказывает на длительность взрывной
сигнала. Таким образом при взрывах разного заглубления
области г < at формируется волновое движение с одинаково
амплитудой и существенно различной длительностью. При это!
более короткие волны соответствуют взрывам меныпег
заглубления. Последнее приводит к тому, что в облает
неупругого поведения среды г < Rt волны от разнозаглубленны
взрывов затухают неодинаково. Причем, как и следует ожидаи
более короткие волны затухают сильнее.
Законы изменения приведенных максимальных смещений часта
среды приведены на рис. 1.14 и 1.15. Приведенная длител
ность положительной фазы движения представлена на рис. 1.
20
рис. Ы4. Зависимость при-
приведенных максимальных пере-
перемещений в среде от расстоя-
расстояния при взрыве в тиосульфате
(обозначения см. рис 1.12)
и0, см/кг ft
2,0
1.0
о Л
0.1
0.04
0,02
0,01
A VA
8 .10
20 40
г0=г/Во
и 1.17. Анализ полученных экспериментальных данных показыва-
показывает, что свободная поверхность оказывает на длительность
волны более сильное влияние, чем на максимальную массовую
скорость. Предполагая, например, что принцип энергетического
подобия взрывных движений выполняется и в случае присутствия
свободной поверхности, определяем формально эффективность
малозаглубленного взрыва по отношению к камуфлетному от-
отдельно по максимальной массовой скорости иь максимальным
перемещениям оJ и длительности положительной фазы волны
сжатия в среде с*>з. Значения величин ь>и и>2 и (*>з, определяю-
определяющих "камуфлетный" эквивалент малозаглубленного взрыва по
срответствующим параметрам, приведены в табл. 1.2.
Из табл. 1.2 видно, что камуфлетные эквиваленты, опреде-
определенные по максимальной массовой скорости и длительности по-
положительной фазы движения в волне сжатия, заметно отличают-
отличаются* В этом и заключается причина того, что малозаглубленные
взрывы с разными значениями параметра т) не могут быть сведе-
2,0
1,0
0,4
ОЛ
0,1
0,04
0,02
2
10
20ro*r/PB
РИС 1.15.
симальных
взрыве в
рис. 1.13)
[веденных мак-
расстояния при
хачеккя см.
//*
I I
Ю
20
40
Рис Мб. Зависимость приведенной длительности л
ения в волне сжатия от приведенного рассгоя;
льфате (обозначения см. оис
>нон фаз
при взрыве
2
8 10
20
Рис. 1.17. Зависимость приведенной дл
тельности положительной фазы движения
волне сжания от приведенного расстсят
при взрыве в плексигласе (обозначен]
см. рис 1.13)
таблица 1.2
амуфлетн
гваленты
(заглуб,
-0,5
О
1
Тиосульфат натрия
0,35
0.65
0,8
0.25
0.25
0.75
0.18
0.44
0.65
0,5
0.73
Плексиглас
> 0,23
0,5
0,1
0,25
ны в группу подобия по одному из параметров взрывного источ-
источника (взрывы разных по весу зарядов с одинаковым относитель-
относительным заглублением, напротив, подобны между собой, что хорошо
видно из рис. 1.12-1.17). Более подробно вопрос о подобии
движения при взрыве и, в частности, малозаглубленном взрыве
будет рассмотрен ниже.
Возвращаясь к табл. 1.2, отметим, что для обеих модельных
сред эффективность малозаглубленного взрыва по максимальным
перемещениям одинакова. Это представляется естественным, по-
поскольку одинаковый эффект, вносимый свободной поверхностью,
должен приводить к одной и той же величине относительной
энергии, теряемой при утечке продуктов взрыва в воздух и об-
образовании поверхностных и приповерхностных волн. Смещение
среды является в этом случае некоторым энергетическим экви-
эквивалентом взрывного воздействия, так как ни амплитуда волны,
ни ее длительность не определяют по отдельности энергию, по-
получаемую твердой средой при взрыве.
Изучение механических характеристик взрывного движения
при изменении заглубления заряда позволяет сделать следующий
вывод: присутствие сильной неоднородности в среде в виде
свободной поверхности не оказывает заметного влияния на амп-
амплитуду волнового движения вблизи источника возмущений. Влия-
Влияние неоднородности, как это следует из рассмотрения
малозаглубленного взрыва, сказывается только на значительном
от нее удалении, причем происходит плавное, а не скачко-
скачкообразное изменение параметров движения. В свою очередь это
позволяет сделать вывод о том, что появление неоднородностей
в среде, вследствие фрагментации последней (возникновение
малопротяженных трещин за фронтом волны), не в состоянии
внести каких-либо изменений резкого характера во взрывное
движение, из-за чего момент разрушения среды не фиксируется
на эпюрах массовых скоростей. Одна из возможных причин этого
заключается в малой энергоемкости процесса образования новых
поверхностей при разрушении.
Вследствие асимметрии волнового поля при малозаглубленном
взрыве существует специфическая характеристика механического
воздействия - импульс, переданный твердой среде в положи-
положительном направлении оси z (см. рис. 1.11);
23
Рис
среде в положительном направлении оси
ррп взрывах разного заглубления Т)г
/ - <*; 2 - 1; 3 - 0; 4 - -0,5
I
R
2* S Mr
Ri
п
S ру
где Ri - радиус взрывной полости, определяемый смещением
среды на границе среда-заря^.
Используя эпюры массовых скоростей, полученных при взры-
взрывах разного заглубления, ' построим распределение скорости
среды за фронтом волны для различных моментов времени. Так-
Также, как и в случае т) -* w, непосредственно за фронтом имеет
место распределение A.2), рричем в области R < R+ показа-
показатель степени ко * 1,4 для вс^х значений параметра
С учетом степенного распределения скорости по радиусу и
условия р • const определяем импульс, переданный твердой
среде в различные моменты времени (рис. 1.18). Из рисунка
бидно, что по мере формирования волны сжатия в твердой среде
переданный ей импульс увеличивается и при R * R+ практически
достигает своего максимума /о. Величина ,/о приведена ниже.
Там же для сравнения приведены значения /0) полученные в
результате непосредственных измерений при малозаглубленном
взрыве в песке (Б.А. Иванов, 1976). При оценках импульса не
учитывалась его составляющая, переданная твердой среде
в отрицательном направлении оси z, которая присутствует
при т) > 0.
Максимальный импульс (Н"с
1 кг в зависимости от заглубл
*#
7)
ТиосульфДт натрия
Плексиглас
Песок
**
#•
-0,5
250
180
* * * 4
# * *
о
490
390
370
1
660
500
00
930
550
Рис 1.19. Зависимость максимальных
массовых скоростей в продольной волне
сжатия на свободной поверхности от
приведенного расстояния:
J-T)-0;2-T)- -0,5; 3, 4 - то же, в
волне, распространяющейся в глубь среды
(соответственно для Т) - 0 и 1) - -0,5)
и0, м/с
Ж
100
20
10
о-2
-3
да
В заключение следует отметить, что при вычислениях им-
импульса проводилось интегрирование по полусферическому объе-
объему. Для установления характеристик радиального движения
вблизи свободной поверхности проводилась специальная регист-
регистрация массовой скорости в продольной волне сжатия на свобод-
свободной поверхности. Измерения показали, что продольная волна,
распространяющаяся вдоль свободной поверхности, практически
не отличается от волны, распространяющейся вглубь среды
(рис. 1.19). Это позволило рассматривать движение среды во
всем полусферическом объеме вещества совместно.
1.3. ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ
ПРИ ВЗРЫВЕ В ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ
Исследование возможностей для управления механическим
воздействием подземного взрыва ведет к необходимости рас-
рассмотрения различных вариантов взрывного источника. Одним из
действенных способов управления параметрами начальной на-
нагрузки при взрыве ядерного устройства является размещение
последнего в воздушной полости достаточно большого размера.
Искусственное снижение интенсивности начального возмущения
приводит в этом случае к перераспределению энергии заряда
между твердой средой и продуктами взрыва, сосредоточенными в
камуфлетной полости.
Впервые вопрос о взрыве в воздушной полости ставился с
точки зрения возможности ослабления волцы сжатия подземного
ядерного взрыва. Теоретические исследования и измерения,
25
г
о
/0~' ГО
to* to
го3
гагату
Рис. 1.20. Завися л
от мощности взрыва
Связанные взрывы: 1 - гранит; 2 - риолит;
3 - туф; 4 - соль; 5 - глина. Взрыв в по-
полости: б - эксперимент "Стерлинг" (соль);
7 - теоретический декаплинг для искусственно
созданной полости: полный (сплошная линия) и
свыше 10 кт частичный (пунктирная линия)
проведенные при ядерном взрыве "Стерлинг" (США) в полости,
образованной в результате эксперимента "Салмон" [85], пока-
показали, что применение воздушной полости позволяет значитель-
значительно видоизменить взрывной сигнал и снизить сейсмическое
воздействие подземного взрыва. Приведенные на рис. 1.20
данные наглядно демонстрируют насколько велико влияние воз-
воздушной полости на магнитуду сейсмовзрывного воздействия
(магнитудой сейсмического воздействия называется величина
0, где А~ - амплитуда стандартного сейсмо-
А - амплитуда стандартного
М = igA -
графа на данном расстоянии
сейсмографа на том же расстоянии от стандартного земле-
землетрясения),
В дальнейшем взрывом в воздушной полости занимались в
связи с вопросами повышения эффективности передачи энергии
твердой среде. Было обнаружено (Н.В. Мельников, Л.Н. Марчен-
Марченко, 1972 г), что исключение прилегающей к заряду зоны пере-
переизмельчения среды, вследствие применения полости вокруг за-
заряда, приводит к более рациональному распределению энергии
взрыва между диссипируемой и полезной частью. Однако опыты
по моделированию предполагали небольшой диапазон изменения
воздушного промежутка (наибольший эффект по результатам вы-
выброса грунта дает полость радиусом около 1,2, вследствие че-
чего вопросы влияния размеров полости на динамику деформирова-
деформирования среды детально не рассматривались. В настоящих исследо-
исследованиях радиус полости Rn изменялся в промежутке от 1,5Ло до
18/?<ъ что позволило в широких пределах изменять плотность
энергии взрывного источника и амплитуду начальной нагрузки.
Схема опыта и методика исследования дебоомиоования твер-
твердой среды при взрыве заряда в воздушной полости подробно
описаны в работе [64]. Характерные осциллограммы массовой
скорости, полученные при взрыве микрозаряда в воздушной по-
полости, приведены на рис. 1.21 для некоторых относительных
размеров полости ? - Rn/Ro. Видно, что в отличие от связан-
связанного взрыва (взрыва плотноупакованного заряда) волна сжатия
состоит из нескольких последовательных фаз, каждая из кото-
26
Рис. 1.21. С
с относител
массовой скорости
2 (а) и 3 (б)
[ОСТИ
30
20
Рис. 1.22. Время запаздывания второго мак-
максимума волны в зависимости от радиуса воз-
воздушной полости при взрыве зарядов массой
10 кп
/ - 0,17; 2 - 0,4; 3 - 0,78
10
о
о
2
Рис. 1.23. Приведенная длительность пер-
первой фазы волны сжатия при взрыве в по-
полостях разного относительного размера ?:
1 - 1,5; 2 - 2; 3, 4 - 3 (обозначения
см. рис. 1.24)
э .
• 2
ф
Ф
Jt™
о
Л
• л Д л
1 i
W
20
рых характеризуется
стью v. О* - 0; 1; 2;
по амплитуде своей максимальной скоро-
Сравнение времени запаздывания Дт второго максимума волны
от первого со временем пробега воздушной ударной волны рас-
расстояния, равного диаметру полости, показывает, что вторичные
фазы сжатия вызываются последовательным отражением ударной
волны от стенки полости и от цента. Более детальный анализ
показывает, что величина Дт не меняется с расстоянием до
взрыва и практически определяется линейным размером по/
В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 1.22 приведена
величина Дт в зависимости от размера воздушной полости для
взрывов зарядов разной массы.
Из приведенных на рис. 1.21 осциллограмм видно, что ос-
основной вклад в максимальное смещение частиц среды вносит
27
Рис 1.24. Зависимость максимальных
массовых скоростей в волне сжатия
от приведенного расстояния:
Л 2, 3 - q - 7,8-Ю-4 кг (?; -1,5;
2; 3); 4 - q - 4М0
- 3); пунктирная линия - та же за
висимость при связанном взрыве
-4
КГ,
Рис 1.25. Зависимость максимальных
массовых скоростей в волне сжатия
от приведенного расстояния:
1 - q - 7,8-Ю
q « 1,7-10'4
кг (?; - 4); 2 -
кг <? - 4); 3 - q -
1,7'10"" кг; (? - 6,7); пунктирная
линия - зависимость щ(г/Яа) при
%\
\°Ч \
Рис. 1.26. Приведенные максимальные пере-
перемещения в волне сжатия (обозначения см.
рис. 1.24)
2,0
о,2
0,1
0,04
0,02
Ю
20
первая фаза движения от центра взрыва. Для полостей с ? - 2;
3 и 4 этот вклад составляет в среднем соответственно 58; 65
и 75%.
На рис. 1.23 представлена приведенная длительность первой
фазы т с расстоянием г для некоторых размеров воздушной по-
полости. Отметим дополнительно, что при взрыве заряда массой
7,8-10" кг в полости ? г 4 средняя* длительность первой фазы
составила около 9,5 е 10" с.
Из рис. 1.23 видно, что длительность первой фазы постоян-
постоянна с расстоянием до взрыва с точностью до разброса экспе-
экспериментальных данных и уменьшается с увеличением относи-
относительного размера воздушной полости. Аналитическая зависи-
зависимость т(?) представима в виде
я 4-10^
"°^
A
4).
Значение первого максимума волны сжатия vo (максимальная
массовая скорость) приведено на рис. 1.24 и 1.25. Из графи-
графиков следует, что, как и в случае 4*1» для 1,5 < ? < 4 мож-
можно выделить две области, отличающиеся степенью затухания
максимальной массовой скорости с расстоянием. Полученные
зависимости описываются формулой
при го <
при Го >
29
, м/с
4000
1000
100
10
1
1
Рис. 1.27. Скорость смещения стенки
воздушной полости в зависимости от ее
радиуса
W #n/R0
и и
е
обл
а2, &, пг> pi> а также приведенный размер
и г* представлены ниже.
Законы изменения максимальных смещений в волне сжатия
1велены на dhc. 1.26 и им«
Значения констант F% и si приведены ниже.
1эффициенты эмпирических зависимостей для взрыва
a%
Pi
1,5
3
4
6,7
* ш
* *
¦ *
* * ,
Г i
# 4
# ¦
• *
si
* 4 * ш * *
110
370
2,22
1,72
8,8
0,22
1,88
620
220
2,23
1,63
6,8
0,45
1,97
530
190
2,21
1,6
6,3
0,11
1,86
500
240
2,24
1,76
6,5
320
1,7
Измерение массовых скоростей с помощью датчиков, установ-
установленных непосредственно на стенке воздушной полости, позволя-
позволяет получить зависимость максимальной скорости стенки полости
от радиуса последней vntKn). На рис. 1.27 приведена указан-
указанная зависимость (кривая У), а также скорость стенки полости,
рассчитанная по отражению воздушной ударной волны (расчет
проведен с помощью зависимостей, приведенных в работе [29] и
при действии на стенку полости продуктов детонации при их
изэнтропическом расширении из начальной полости, равной
плотности заряда ВВ, с переменным показателем изэнтропы (со-
. зо
ответственно кривые 2 и 5). Данные о давлениях продуктов де-
детонации и показателях изэнтропы выбирались согласно [30].
Из сравнения кривых рис. 1.27 можно сделать вывод: для
полостей с относительным размером ? < 3 определяющим факто-
фактором для скорости смещения стенки полости является действие
продуктов детонации, а для полостей с ? < 3 - отражение воз-
воздушной ударной волны. Это определяет различный механизм пе-
передачи энергии твердой среде для воздушных полостей разного
относительного размера. Если при взрыве в полостях с относи-
относительным радиусом ? < 3 для определения работы продуктов
взрыва над твердой средой допустимо пользоваться квазиста-
квазистатическим представлением о расширении сильно сжатого газо-
газообразного материала, то при ? < 3 для определения величины
переданной среде энергии необходимо привлекать динамические
соотношения.
Результаты измерений показывают, что с увеличением разме-
размера воздушной полости, а следовательно, плотности энергии ис-
источника интенсивность волны сжатия в среде падает. Из харак-
характера изменения максимальной скорости стенки полости и вели-
величины показателей степени в законах изменения максимальных
массовых скоростей в среде от Ro до 3-4R0 скорость в среде
на фиксированном расстоянии падает, затем при увеличении Rn
от 3-4Ло до 7Ro несколько возрастает и далее снова падает,
оставаясь меньше своего значения при Rn » 3-4Л0. В качестве
иллюстрации ниже приведен коэффициент ослабления взрывного
воздействия по амплитуде волны сжатия
полученный по зависимостям рис.
различного относительного размера
1.24 и 1.25 для полостей
/
1,5
1,8
3
4
2,5 2,85 3,3
6,7
2,2
10
2,3
17,4
5
ый эффект периодического изменения ослабляющего
действия воздушной полости с ростом ее размеров позволяет
дать некоторые рекомендации для целей проведения взрывов с
Таблица 1.3
Эквивалентная масса заряда, кт
Эквивалентная мощ-
мощность связанного
взрыва, кт
1
5
20
100
Доломит
Каменная
соль
Гранит
2,1
10,5
42,1
211
2,6
13
52,1
262
2,7
13,5
54,1
272
Туф
4
20,2
80,8
405
31
максимально возможным ослаблением сейсмовзрывного эффекта.
Поскольку одним из способов получения подземной полости
большого объема является использование крупномасштабного
подземного взрыва имеет определенный смысл соотносить размер
ослабляющей полости с размером камуфлетной полости связан-
связанного взрыва соответствующей мощности. Так в табл. 1.3 приве-
приведены эквивалентные массы зарядов (кт), при взрыве которых в
полости первоначально связанного взрыва сейсмический сигнал
совпадает по амплитуде с аналогичным сигналом связанного
взрыва.
Полученные результаты свидетел&твуют о возможности за-
заметного ослабления механического действия подземного взрыва
с помощью воздушной полости, что имеет немаловажное значе-
значение с точки зрения подавления сейсмического сигнала.
1,4. ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ
ВО ВЗРЫВНОМ ИСТОЧНИКЕ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ СРЕДЫ
*
г
Процесс формирования взрывного источника* в случае ис-
использования ядерного заряда сопровождается падением плот-
плотности вещества в очаге взрыва по мере расширения стенок
камуфлетной полости. При этом существенно, что ударная волна
большой амплитуды в области, прилегающей к зарядной камере,
сама является источником газообразного рабочего тела вслед-
вследствие испарения и разложения отдельных компонентов горной
породы. Следовательно, зарядную камеру при ядерном подзем-
подземном взрыве нельзя рассматривать в качестве источника меха-
механического воздействия, как это принято при взрывах хими-
химического ВВ.
Установление источника в этом случае непосредственно свя-
связано с анализом взрывного воздействия при изменении основной
характеристики очага - объемной пблости энергии взрыва. В
этом смысле использование химического ВВ при моделировании
подземного взрыва предоставляет определенные возможности,
поскольку плотность энергии заряда ВВ одного и того же хими-
химического состава можно варьировать двумя способами: 1 - при-
применением ВВ с разным объемным энерговыделением и 2 - различ-
различной полнотой упаковки в зарядной камере. Первый случай со-
соответствует применению ВВ различной плотности при плотной
упаковке зарядной камеры. Второй - взрыву заряда в
воздушной полости. В обоих случаях эффективная плотность
•Область неравновесного состояния газообразных продуктов, которую
по аналогии со взрывом химического ВВ можно рассматривать в качестве
источника механического воздействия определенных размеров.
32
-7
-2
ю -
о-5
4.0
Рис. 1.28. Максимальные массовые
скорости в среде при взрыве при
плотности ВВ 103 кг/м3:
1 - 1; 2 - 0,5; 3 - 0,4; пунктирная
Линия - та; же зависимостьг при" взры-
взрыве заряда плотностью 1,5'Ю кг/м3
Рис 1.29. Приведенные максимальные
перемещения в среде при взрыве
зарядов разной плотности (обозна-
(обозначения см. рис 1.28)
Рис 1.30. Зависимость относительного
размера зоны разрушения при взрыве заря-
зарядов от эффективной плотности заряжания:
1 • связанный взрыв; 2 - взрыв в воздуш-
воздушной полости
20
10
2
-f
100
200 400
1000
м/с Рис 131. Зависимость скорости смещения
/@00 г стенки зарядной камеры or эффективной плот-
плотности заряжания (обозначения см. рис 1.30)
1000
100
10
о-2
НО 100 1000
2
104
••1
о-2 _
Рис 1.32. Зависимость приведенной длится
ноет положительной фазы в волне сжатия 1
^—' 41од ^щ Расстоянии г = R+ от эффективной плотноа'
/Vr/м5 заряжания (обозначения см. рис 1.30
заряжания ВВ определяется одинаково: pi - q/Vo, где Vb -
объем зарядной камеры. Однако при одинаковых значениях
параметра pi указанные случаи характеризуются совершенна
разными условиями передачи энергии окружающей заряд среде. |
, Ранее были установлены основные параметры воздействия
при взрыве заряда ВВ, расположенного в воздушной полости, и
при взрыве связанного заряда плотностью 1500 кг/м3. В на-
настоящем параграфе рассмотрены результаты исследования взры-
взрывов связанного заояда плотностью 400 кг/м3 (насыпной тэн),
500 кг/м3 (насыпной двукратноосажденный тэн) и 1000 кг/м*
(прессованный тэн), а также дается сравнительная характе-
характеристика взрывов связанного заряда и заряда, расположенного в
воздушной полости. В качестве основного параметра, харак-
характеризующего взрывное воздействие в твердой среде, выбрана
эффективная плотность заряжания
Основные параметры волн сжатия vo и ш в среде (тиосуль-
(тиосульфат натрия), полученные в результате измерения массовых ско-
скоростей, приведены на рис. 1.28 и 1.29 в зависимости от при-
34
веденного расстояния п = r/Ro. Пунктиром на рисунках обоз-
обозначены для сравнения параметры волн сжатия при взрыве заряда
рх ж 1500 кг/м3. Следует отметить, что по мере падения плот-
плотности заряжания интенсивность взрывного воздействия в среде
падает. Это соответствует представдениям о распаде разрыва
на границе продукты детонации - твердая среда при разных
плотностях ВВ.
Падение интенсивности волны сжатия с уменьшением плотно-
плотности заряжания ведет к уменьшению объема зоны разрушения, а
следовательно, эффективности дробящего действия взрыва. Ве-
Величина радиуса зоны разрушения R+, оценка которой проводи-
проводилась по изменению степени затухания максимальной массовой
скорости, приведена на рис. 1.30 в зависимости от параметра
ри На этом и последующих рисунках данные, полученные при
взрывах связанного заряда и заряда, расположенного в воздуш-
воздушной полости, приводятся совместно. Так, на рис. 1.31 и 1.32
приведены соответственно максимальная скорость смещения
стенки зарядной камеры vn и приведенная длительность волны
т/д1/г на расстоянии г - R+. В качестве т при взрыве в
воздушной полости выбиралась длительность первой (основной)
фазы движения. Радиус зарядной камеры Ro в случае взрыва в
полости принимался равным Rn.
Полученные в результате эксперимента зависимости R+(pi) и
x(pi) позволяют записать формулы, удобные при проведении
инженерных оценок
RjRo = Clip?-65; т/?1'3 - 4-10'5р?3,
где р\ - плотность заряжания, кг/м3.
С использованием связи R+(pi) легко получить зависимость,
позволяющую оценивать работоспособность ВВ различной плотно-
плотности при разрушении твердой среды (расход ВВ на дробление). В
нашем случае она имеет простой вид
где q - масса заряда, кг; V+ - объем разрушенного матери-
материала, м3.
Максимальная скорость смещения стенки зарядной камеры
(м/с) Vn(pi), представленная на рис. 1.31 в виде сплошной
линии, имеет вид
vn = 0,25р!'
где pi выражено в кг/м3.
Как правило, для оценок пользуются акустическим прибли-
приближением vn ~ Р, где Р - давление продуктов детонации. В этом
случае может возникнуть вопрос о сопоставимости зависимос-
зависимостей Vn(pi) и P(pi), так как в интересующем диапазоне пл
ностей заряжания 500 кг/м3 < pi < 1500 кг/м3 давление
волне детонации представимо в виде [30]
Р ~
Для прояснения кажущегося противоречия между зависимое
тями Vn(Pi) приведем оценку величины vn. Представим ударнуи
адиабату модельной среды в виде
»
3A-1»
A.3)
ще # - скорость распространения ударной волны в среде, с „
скорость звука в среде.
Рассматривая реализующийся на практике случай, предполг
гаем, что при выходе детонационной волны на границу ср
да - ВВ начальное давление на границе раздела сред Р мен!
ше давления во фронте детонационной волны. Выбирая пара
метры детонационной волны, согласно данным работы [30] \
оценивая величину vn для разных рь убеждаемся [63], 41
действительно соотношение Р < Р имеет место при
> 1300 кг/м3. Оценочные и экспериментальные значения vn ;
этом случае совпадают. При pi « 1300 кг/м3 происходит сме!
режима отражения детонационной волны: в области р\ ,
< 1300 кг/м3 начальное давление на границе раздела сред 3
превосходит величину Р. В итоге это приводит к замедлен»
уменьшения величины vn в зависимости от pi, в результа!
чего средняя степень изменения vn (pi) в 1,5 раза ниже с*-
пени изменения P(pi).
Приведенные на рис. 1.28-1.32 параметры взрывного возде1
ствия показывают, что эффективная плотность заряжания опр
деляет основные характеристики взрыва вне зависимости от
го, каким способом изменяется величина Pi: параметры, п<
ченные при связанном взрыве и при взрыве в воздушной п<
сти, с хорошей точностью группируются вокруг единых зав№
мостей. Особое внимание следует обратить на скорость ста
зарядной камеры. Близость значений амплитуды начального в
действия при одинаковых значениях параметра р\ в слу
связанного взрыва и взрыва в воздушной полости во многом
ределяет общность в развитии взрыва при указанных условиях;
1.5. ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТ1
В ЗОНЕ КВАЗИУПРУГОГО ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛА СРЕДЫ
Непосредственно с зоной разрушения при взрыве граю
зона квазиупругого поведения твердой среды. Для получе
качественных соотношений между параметрами взрывного возд|
ствия в этой области можно воспользоваться результатами
36
шения волновой задачи в упругой постановке. Так известное
решение Шарпа дает распределение силовых и деформационных
характеристик среды в сферической волне сжатия, распростра-
распространяющейся в упругой среде вследствие мгновенного возникнове-
возникновения давления в сферической полости, расположенной в безгра-
безграничном однородном пространстве. При такой постановке задачи
уравнение движения среды имеет вид
2 ди 2и 1 82и
дг2 г дг г с2 dt
\\А)
где и - смещение частиц среды во времени, с - скорость рас-
распространения продольных возмущений в среде*
Общее решение уравнения A.4) представимо в виде суммы
бегущих волн
fiit - -т-)/(сг) + hit - -г-)/г> + fUt + -
С ¦ С С
W + -^)
ще /i и Д - произвольные функции, конкретный вид которых
определяется начальными и граничными условиями.
В частном случае излучаемой волны имеем: f% - 0. Тогда
искомые функции, описывающие волновое движение в среде, выра
зятся через /i(w), ще и> » t - г/с> следующим образом:
и = fi(o»/(cr) +
v- /i(w)/(cr) + fid»)/г»,
A.5)
A.6)
A.7)
1-D-
A.8)
Граничное условие: (г = - /> при < > 0, /•=»/?, приводит
к дифференциальному уравнению второго порядка относительно
функции Д:
\-V
f
решение которого с учетом начальных условий
Л@) = л @) - 0
имеет вид
2(l-2V)p0c2
37
* ч
exp \\~
CO)
rx
где а2 - c/l-2v/(l-v)Ru
Полученное решение полностью определяет все
ки волнового движения с помощью связей A.5) - A.8). В ча-
частности на больших расстояниях г » R\ эпюра массовой
роста имеет вид \-2v cu>
v s ^— я -^*- - " *~
cr роСГ
A.9)
им
дения давления в
дачи мо
условия:
г можно подправить, есль
именем. Учет эффекта па-
[ со временем при решении упругой за-
, например', путем выбора граничной
-Э*
t > 0.
В этом случае функция Д(и) имеет рид
(I-V)RIP
2il-2V)ptC
1
CVI-2V
1-2U CO)
а зависимость A.9) перепишется в вцде
росг
TT
1-
где /3i « Kw;
о
о о
1 -
-1.
1
38
Приведенные решения волновой задачи предполагают упругое
поведение материала среды во всей области движения. Однако
большинство экспериментов с реальными средами показывают,
что степень затухания волны по амплитуде не соответствует
возможному упругому поведению среды. В этом случае более
близким к реальности является предположение о локальной уп-
упругости материала среды.
Рассмотрим характеристики движения и напряжения в среде в
квазиупругой области взрывного воздействия на основе локаль-
локальной упругости материала, а именно: будем предполагать, что в
целом неупругая среда, движение которой в любой конечной об-
области не описывается уравнением A.4), допускает использова-
использование упругих связей A.7) и A.8) при описании среды в каждой
отдельно связанной точке пространства.
Необходимые для описания параметры волнового движения при
г > R+ будем брать из модельного эксперимента в тиосульфате.
Смещение частиц среды вне зоны разрушения с хорошей точ-
точностью описывается зависимостью
), 0 < и < т,
А -усо AЛ0)
Асе # t т < ы < т ,
где т и т - соответственно время положительной фазы движе-
движения в волне сжатия и длительность волны; ио - максимальное
смещение частиц среды на данном расстоянии от взрыва; Л, ol%
и у - функции координаты, определяемые из условий непрерыв-
непрерывности деформаций
ЛехрИгт ) - w * u*(RjrJ*
9П * *
1/0
* ~
С помощью последних соотношений с привлечением A.10) и
связей:
г
ди _ ^ f%-
dt ' m
получаем
- 2/т,
А: - (D
?- In [О^З^оТ/*5/ (ujll*) ].
4
39
20
30 W 50 60
r/RQ
Рис. 1.33. Распределение радиальных
напряжений в среде:
I - R/Rq - 40; 2 - 60
Здесь: W - остаточные перемещения; v0 - максимальные мас-
массовые скорости в среде при взрыве.
С помощью A.7), A.10) и найденных значений параметров
задачи определяем распределение радиальных напряжений вне
зоны разрушения для времен 0 < w < т
<г
exp
2(R-r)
ст
Оас2A-2У)УаТ
(l-V)r
1-е
СТ
A.11)
В качестве иллюстрации на рис. 1.33 представлены получен-
>нта волны
HJII
ные зависимости <г (г) для некоторых положений
* *
(R - 4ОЛо и R « 60Л,).
Как уже отмечалось, при выходе волны сжатия из зоны раз-
разрушения в ней начинает формироваться фаза возвратного движе-
движения. Однако в значительной области остаточные перемещения
достаточно велики. Это приводит к диссипации энергии, учет
которой при подведении общего энергетического баланса может
оказаться весьма интересным (наличие диссипации согласно об-
общим представлениям и определяет размеры зоны квази-
квазиупругости) .
Поток энергии за время т через сферическую поверхность
т
ди
О
отсюда, привлекая соотношения A.10)
Е
4ПОаС2A-2У)и1
A - е) +
и A.11), получаем
2 A - е-4».
Выражая щ через максимальную массовую скорость v0 и диф-
40
Рис 1.34. Энергия, диссипированная
в слое вещества толщиной dn
I - расчет с учетом возвратного
движения среды, 2 - расчет по фор-
формуле A.11)
Q(r)/?Ot
ференцируя последнее выражение по координате, получаем зна-
значение энергии, диссипированной в слое вещества толщины dr,
в 1
1РоС2{1-2У)
1 +
(X-2V)cT
A-12)
Полученная формула с достаточной точностью описывает
энергетические потери в волне сжатия. Более точное выражение
для Q можно получить учитывая движение при т < о> < т . Полу-
Получающееся в результате такого подхода выражение для Q в виду
своей сложности не приводится. Однако как показывают сравни-
сравнительные оценки (рис. 1.34), при расчете интегральных потерь
энергии в области квазиупругости вполне допустимо пользова-
пользоваться зависимостью A.12).
2. СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ
2.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Познание процессов и явлений, наблюдаемых в природе и
практической деятельности человека, связано с установлением
количественных закономерностей, оторажающих в динамике ос-
основные свойства объекта исследований. Количественное описа-
описание конкретного процесса основывается на предварительном на-
накоплении достаточного объема фактического матерала, что тре-
требует в большинстве случаев проведения трудоемких и продолжи-
продолжительных наблюдений. В том случае, когда физический механизм
процесса выявлен и поддается искусственному воспроизвел
(экспериментальному либо математическому), получение и
мации о свойствах исследуемого объекта значительно упро
ся. Воспроизведение (либо отображение, если речь идет о ма-
математическом описании) объективных закономерностей с целью
их изучения составляет то, что называется моделированием.
Наиболее действенным методом исследования физических явлений
и процессов является экспериментальное (физическое) модели-
моделирование - непосредственное воспроизведение аналога объекта
исследований в контролируемых условиях в удобном для иссле-
исследования масштабе.
Модель реального процесса безусловно является его непол-
неполным отображением, поскольку выбор модели основывается на
конкретных представлениях исследователя о физическом меха-
механизме изучаемого процесса и зависит от поставленных целей и
задач, а также полноты охвата объекта исследований в целом.
Однако степень схематизации реальной картины должна обеспе-
обеспечивать достаточную полноту и точность оценок на основе зало-
заложенного в модель механизма явления. Совершенство модели оп-
определяется как степенью изученности объекта, так и принци-
принципиальной возможностью описания разных проявлений конкретного
процесса в рамках единого представления.
Моделирование нашло широкое распространение при изучении
самых разнообразных физических и механических процессов,
происходящих в сплошной среде. Имеющиеся теоретические и
практические обоснования позволяют рассматривать моделирова-
моделирование в качестве одного из основных методов получения подроб-
подробных систематических данных об изучаемом явлении, а также ре-
рекомендаций, необходимых при решении практических задач. При
этом следует отметить, что моделирование является, по суще-
существу, единственным способом исследования процессов в сложных
системах, экспериментальное воспроизведение которых в натур-
натурных условиях требует больших затрат, а зачастую невозможно.
В большинстве случаев под моделированием подразумеваются
масштабные преобразования изучаемого явления, то есть замена
явления, происходящего в натуре, аналогичным явлением на фи-
физической модели, как правило, меньшего масштаба. При этом
назначение моделирования состоит в установлении основных,
наиболее существенных эффектов и закономерностей явления на
модели с последующим переносом результатов на натурные ус-
условия. Преимущества такого эксперимента - точность опреде-
определения условия опыта, строгое соблюдение геометрических па-
параметров, воспроизводимость и т.п. - позволяют в короткие
сроки устанавливать определяющие зависимости между пара-
параметрами, а также основные связи между разными проявлениями
исследуемого явления. Причем модельный эксперимент пре-
предоставляет практически неограниченные возможности для ши-
широкого изменения условий проведения экспермента.
Помимо получения первоначального материала, отражающего
изменения параметров явления во времени и пространстве, мо-
моделирование, как метод исследования, может быть использовано
при оооощении уже имеющихся экспериментальных или теорети-
42
ческих результатов на другие условия. При этом отпадает не-
необходимость в многократном проведении больших дорогостоящих
опытов на натуре.
Моделирование основывается на рассмотрении подобных явле-
явлений и процессов, что определяет способность модели отражать
наиболее существенные и характерные признаки объекта иссле-
исследований. Подобными являются такие физические явления, кото-
которые, во-первых, принадлежат к одному и тому же роду; во-
вторых, допускают аналитическое описание с помощью одних и
тех же уравнений: в-третьих, происходят в геометрически по-
подобных системах и, наконец, в-четвертых, допускают сравнение
между собой по сходственным физическим параметрам. Пере-
Перечисленные признаки подобия одновременно являются правилами
полного моделирования.
2.2. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ
И СОСТАВНЫХ ПРОЦЕССОВ
Изучаемые на практике процессы и явления характеризуются
большим многообразием своих проявлений. Одни объекты пред-
представляются достаточно простыми с ясной структурой внутренних
и внешних связей. Схематизация других (сложно структуриро-
структурированных) - сама по себе является объектом исследований. В
связи с этим необходимо различать моделирование на основе
полного подобия модели и образа (объекта исследований) и
случай неполного подобия, когда в модели не удается в силу
тех или иных причин осуществить одновременно всю совокуп-
совокупность эффектов, сопровождающих исследуемый процесс. Послед-
Последнее в большей степени относится к сложным процессам, физиче-
физический механизм которых к моменту моделирования не до конца
ясен либо не объясняет отдельных проявлений объекта исследо-
исследований. Иногда к моделированию на основе неполного подобия
прибегают в тех случаях, когда учет всех факторов реального
процесса приводит к значительному усложнению модели или пре-
препятствует всестороннему исследованию наиболее существенных
проявлений процесса. Так поступают, например, при установ-
установлении влияния группы определяющих параметров на результат
процесса. В качестве примера могут служить лабораторные опы-
опыты по исследованию взрывного воздействия в блоках из кани-
канифоли (см. разд. 3.4). Действительно, процесс разрушения ка-
канифоли микровзрывом не подобен процессу разрушения канифоли
микровзрывом не подобен процессу разрушения горных пород при
натурном взрыве, во-первых, по причине большого отличия в
физико-механических свойствах модельной и реальной сред, а,
во-вторых, вследствие масштабного эффекта, приводящего к из-
изменению физики взрывного разрушения [36], Тем не менее моде-
моделирование позволяет устанавливать качественное влияние пара-
меров взрыва (размер полости, экранировка и т.п.) на степень
43
и равномерность дробления среды при взрывном воздействии,
что необходимо знать при организации крупномасштабного эк-
эксперимента.
Полное подобие выполняется при условии одновременного со-
соответствия всех определяющих параметров модели и образа. На
практике это означает равенство безразмерных коэффициентов
(критериальных комплексов и симплексов) в уравнениях подо-
подобия, описывающих рассматриваемый класс явлений. Установить
полный набор определяющих параметров проще всего в том слу-
случае, когда разработан математический аппарат, описывающий
исследуемое явление с достаточной степенью приближения. Если
такой аппарат отсутствует, либо недостаточно совершенен,
возникают трудности в установлении не только полного набо-
набора, но даже отдельных параметров подобия. Объясняется это
тем, что экспериментально определить не всегда удается,
влияет ли конкретно рассматриваемый параметр на исход про-
процесса самостоятельно (симплексно) или в комплексе с другими
параметрами.
Определенные трудности вызывает моделирование процессов,
в свою очередь состоящих из ряда последовательных. В этом
случае начальные определяющие параметры системы характери-
характеризуют исход только того-процесса, который первым стоит в цепи
реализуемых. Определяющие параметры каждого из последующих
процессов являются в большинстве случаев результатом преды-
предыдущего. В связи с этим возникает необходимость в рассмотре-
рассмотрении самой возможности моделирования на основе результирующих
либо текущих значений параметров отдельно взятого процесса.
С этой точки зрения вопросы подобия при моделировании со-
составного процесса логически объединены со случаем неполного
подобия при рассмотрении изолированного монопроцесса. Под
составным процессом следует понимать совокупность не только
разновременных процессов, следующих друг за другом, но также
одновременно протекающих в рассматриваемой физической сис-
системе, характеризующихся разной величиной определяющих па-
параметров.
Выделение инвариантных физических закономерностей из
множества определяющих величин позволяет расширить возмож-
возможности моделирования с точки зрения использования результа-
результатов лабораторного эксперимента. Так моделирование составных
процессов, протекающих в натурных условиях неразрывно, об-
облегчается вследствие возможности последовательного моде-
моделирования1 каждого процесса в отдельности (имеются в виду
процессы, характеризующиеся разными определяющими парамет-
рами, вследствие чего эти процессы необходимо моделировать
раздельно). При этом з качестве критериев подобия могут
быть выбраны величины, определяющие результат процесса,
предшествующего исследуемому. Например, моделирование вы-
выпуска рудной массы из блока, подготовленного различными
вариантами взрывной технологии, необходимо осуществлять в
44
два этапа. На первом этапе моделируется взрыв-
взрывное разрушение с изучением влияния всех особенностей вы-
выбранной технологии на параметры дробления. На вто-
втором - выпуск рудной массы. Второй процесс моделируется
отдельно от первого, поскольку определяющие параметры каж-
каждого из них, используемые при пересчете результатов на
натуру, разные.
При таком подходе к модельному эксперименту в указанном
случае за критерий подобия разномасштабных систем выпуска
рудной массы допустимо выбирать интегральную характеристику
взрывного воздействия, в качестве которой, например, может
быть выбрана величина разуплотнения взорванной массы, харак-
характеризующая конкретную схему дробления при геометрически по-
подобных гранулометрических составах модельной и натурной
сред. Однако необходимо отметить, что в некоторых случаях
следующие друг за другом процессы нельзя моделировать как
самостоятельные. В первую очередь это касается численного
моделирования, применяемого, как правило, для установления
оптимальных параметров какого-либо составного технологиче-
технологического процесса. Примером может служить численное моделирова-
моделирование процесса подземного выщелачивания металлов с целью уста-
установления оптимального с точки зрения экономики технологиче-
технологического варианта.
Подземное выщелачивание (ПВ) содержит в себе несколько
самостоятельных процессов: подготовку рудной массы, собст-
собственно выщелачивание, переработку растворов и т.д. Каждый из
указанных процессов может быть оптимизирован независимо по
своим определяющим параметрам. Однако для установления опти
мальных характеристик процесса ПВ в целом необходимо поль-
пользоваться единой расчетной моделью всего технологического
цикла ПВ (оптимальный вариант всего цикла не обязательно
складывается из оптимальных вариантов каждого из процессов).
В этом случае модель должна содержать определяющие парамет-
параметры всех составляющих процессов.
Выбор метода моделирования во многом определяется задача-
задачами, которые ставит перед собой исследователь на основании
подробного рассмотрения конкретных проявлений изучаемого яв-
явления. Для исключения неизбежного в этом случае субъекти-
субъективизма в оценке определяющих параметров задачи необходимо
постоянно совершенствовать методы обоснования привлекаемых
для описания схем. При этом большое значение (с точки зрения
разработки методических основ экспериментального исследо-
исследования физических процессов) имеет установление общих соот-
соотношений подобия при моделировании. Особое внимание следует
уделять разработке методов функционального моделирования и
моделирования на основе неполного подобия, обеспечивающих
наиболее приемлемую на практике схематизацию реальных про-
процессов.
2.3. ОБЩИЕ СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ
I
Варьирование параметров взрывного источника (размер,
плотность заряжания и т.п.) приводит к значительному изме-
изменению характеристик взрывного воздействия в твердой среде.
Разнообразие условий взрывания, как и необходимость приме-
применения неэквивалентных зарядов, создает определенные труд-
трудности в описании и прогнозировании последствий взрыва.
Одним из распространенных методов, существенно облегчаю-
облегчающих классификацию и прогнозирование парамеров взрывного воз-
воздействия, является постулирование на основе эксперименталь-
экспериментального материала некоторых эмпирических соотношений, позволяю-
позволяющих с достаточной для практики точностью объединять взрывы
различных зарядов в группы подобия по одному из параметров
взрывного источника [16].
Так наиболее употребительный принцип геометрического по-
подобия при подземном взрыве формулируется следующим образом:
на одинаковых приведенных к размеру заряда одного и того же
ВВ расстояниях параметры взрывного воздействия в данной сре-
среде подобны. Иногда этот принцип называют принципом энергети-
энергетического подобия при взрыве [16], подразумевая при этом, что
для взрывов одного ВВ (при неизменной плотности заряжания)
вес заряда q, а следовательно энергия взрыва Ео пропорцио-
пропорциональны размеру взрывного источника. В частности, для взрыва
сферического заряда д ~ Rl. В этом случае приведение взры-
взрывов разного масштаба осуществляется с использованием "без-
"безразмерной" координаты г/^1/3(в качестве примера можно при-
привести результаты изучения взрывных волн в грунтах и горных
породах [36], а также результаты лабораторного исследования
взрыва, приведенные выше). Следует отметить, что принцип
геометрического подобия, не являясь, вообще говоря, универ-
универсальным, достаточно широко используется на практике при
описании и оценочном прогнозировании взрывного движения.
Основой принципа энергетического подобия при подземном
взрыве является тот факт, что при высоких концентрациях
энергии параметры формирующихся волн сжатия определяются ин-
интегральным воздействием источника при падении роли начальных
условий взрыва [16]. При этом отмечается, что при взрывах
химических ВВ плотность энергии может оказаться не достаточ-
достаточно высокой, так что параметры волнового движения будут зави-
зависеть не только от суммарной энергии взрыва, но также от осо-
особенностей взрывного воздействия. Действительно, изменение
основного параметра взрывного источника - плотности заряжа-
заряжания р\ приводит к нарушению энергетического подобия при
взрыве (см. разд. 1.4).
Так в случае взрыва в воздушной полости, расположенной в
твердой среде, амплитуда волны сжатя v0 и максимальные пере-
перемещения частиц среды ш на одинаковых приведенных расстояни-
расстояниях г1ф1ъ уменьшаются с увеличением относительного размера
46 '
воздушной полости ?. Зависимость Уо(г) в диапазоне 1 < ? < 2
(плотность заряжания 0,19• 103 кг/м3) < Pi < 1,5• 103 кг/м3)
представима в виде
1 ,8
-Pi
B.1)
где а -4,5; pi = 2,1 при r/qxl* < 0,6/C и a = 5,2; pi - 1,7
при r/q1* > 0,6/?.
Следует напомнить, что волны сжатия от разномасштабных
взрывов в полостях с фиксированным значением параметра
как это и следует от формулы B.1), остаются геометрически
подобными.
При рассмотрении влияния плотности самого ВВ на параметры
взрывного воздействия следует иметь в виду, что изменение
плотности ВВ может привести к заметному изменению его энер-
говыделения, что в свою очередь не может не сказаться на об-
общей энергии взрыва ?Ь. Отметим сразу, что использование в
качестве ВВ тэна избавляет от необходимости проведения
дополнительного анализа, связанного с учетом зависимости
энерговыделения ВВ от плотности, поскольку для тэна в ши-
широком диапазоне Рг энерговыделение есть величина постоянная.
Анализ экспериментальных данных, представленных на
рис. 1.28 и 1.29, показывает, что ни максимальные массовые
скорости, ни относительные перемещения, соответствующие
взрывам зарядов разной плотности, на одинаковых приведен-
приведенных расстояниях r/qlf3 не совпадают. В частности, зависи-
зависимость vo(r) аналитически описывается формулой
причем b » 3,3; р2 - 2,1 при г/д1/3 < 0,55р?3 ий- 4,5;
р - 1,7 при г/ф^ > 0,55р?5. Размерность плотности заря-
заряжания р\ в последней зависимости для удобства записи вы-
выражена в г/см3.
Таким образом видно, что изменение плотности заряжания
как с помощью воздушной полости, так и при использовании ВВ
различной начальной плотности приводит к значительному ус-
усложнению анализа и прогнозирования взрывного воздействия в
твердой среде.
2.4. ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ
ПРИ ВЗРЫВЕ В ТВЕРДОЙ СРЕДЕ
Падение интенсивности волны сжатия в твердой среде при
уменьшении плотности заряжания взрывного источника и умень-
уменьшении глубины взрыва непосредственно связано с перераспреде-
перераспределением энергии между продуктами детонации и средой. Так с
47
fyjjfl >% Рис. 2.1. Зависимость энергии
г ной твердой среде при взрыве от эффе
тивной плотности заряжания
60
40
20
10
ъ-
1.1 I
см. рис 1.30)
о-2
100 400 1000
падением плотности заряжания оставшаяся в продуктах детона-
детонации энергия увеличивается. Зная закон смещения стенки взрыв-
взрывной камеры и закон расширения продуктов взрыва [30], можно
восстановить величину энергии е, переданную твердой среде
при взрыве. Значения е, полученные в результате оценок для
взрыва в тиосульфате натрия, приведены на рис. 2.1. Аналити-
Аналитически полученную зависимость е(р\) можно представить в виде
е/Ео = 0,36р3{4.
B.2)
Энергия, переданная плексигласу при взрыве связанного за-
заряда плотностью 1500 кг/м3 составляет согласно оценкам 70%
полной энергии взрыва.
Рассмотрим взрыв заряда вблизи свободной поверхности. По-
Поскольку в этом случае часть энергии заряда получает возмож-
возможность уходить вместе с продуктами детонации в воздух спустя
некоторое время с момента взрыва, переданная твердой среде
энергия уменьшается по мере приближения центра взрыва к сво-
свободной поверхности. По эффективности малозаглубленного взры-
взрыва по отношению к камуфлетному можно оценить величину е для
различных заглублений заряда. Так как ни максимальная мас-
массовая скорость, ни длительность волны сжатия не определяют
по отдельности работу, совершенную продуктами детонации,
для оценок следует воспользоваться эффективностью мало-
заглубленного взрыва по перемещениям о>г- Учитывая, что при
взрыве заряда-камуфлета среде передается 80 и 70% полной
энергии взрыва (соответственно для тиосульфата натрия и
плексигласа), находим с использованием значений величины W2
искомый параметр е. Для сравнения в этой же таблице приве-
Энергия, переданная твердой среде при взрыве, %
У)
• ¦•**•¦**
t ¦ л ш *
•**•**#•••
-0,5 0 1 со
21 42 60 80
Плексиглас 18 36 - 70
Песок 22 35 47
48
искомый параметр е. Для сравнения приведена величина е для
песка плотностью 1600 кг/м3, полученная в работе [8].
Энергия е, получаемая твердой средой в процессе взрывного
деформирования, распределяется между основными проявлениями
взрыва в соответствии с их относительной энергоемкостью. Ес-
Естественно предполагать, что изменение величины е в результа-
результате варьирования условий взрыва приводит к пропорциональному
изменению характеристик взрывного воздействи. В этом смысле
представляет интерес сравнить размер зоны разрушения при
взрыве (параметр, определяемый непосредственно из экспери-
эксперимента) с величиной переданной среде энергии. Оценки, прове-
проведенные для взрыва в воздушной полости, показывают, что не-
несмотря на наличие в среде первоначально незаполненного объе-
объема величина R* с хорошей точностью пропорциональна е1(ъ (ос-
(основной вклад в массу разрушенного вещества вносит область,
прилегающая к границе г - R+). В качестве иллюстрации при-
приведем значения R*/R*o совместно с величиной
- I)]1 (R*o - размер зоны разрушения при связанном взрыве
ч
заряда-камуфлета).
льный размер зоны разрушения и относительная энергия
переданная твердой среде, при взрыве в полостях разного
размера
? 7 1,5 2 3 .
R±/R±o ¦ 0,70 0,54 0,50
= J)JW 074 0,58 0,50
Анализ результатов исследования малозаглубленного взрыва
позволяет установить аналогичную зависимость:
(табл. 2.1).
Таким образом, опуская вопрос об абсолютных значениях ве-
величин и затрат на разрушение единицы объема материала среды,
отмечаем вполне удовлетворительное соответствие между объ-
объемом разрушенного при взрыве материала и переданной среде
энергией как при взрыве в воздушной полости, так и при взры-
взрыве вблизи свободной поверхности.
Изменение энергопередачи при изменении условий взрыва
сказывается на энергетических соотношениях в волне сжатия.
Пользуясь степенным законом распределения массовой скорости
с расстоянием A.2), определяем кинетическую энергию среды в
зависимости от положения фронта волны
к 3 - 2к
3
о
1 -
где R{ - радиус камуфлетной полости, определяемый аппрок-
аппроксимацией зависимости u(r, t) на границу среда - заряд ВВ
(рис. 2.2).
49
Таблица 2.1
Относительный размер зоны разрушения и относительная
энергия, переданная твердой среде, при взрывах
различного относительного заглубления
Тиосульфат натрия
0,5
0
1
0,72
0,84
0,92
0,63
0,80
0,91
Плексиглас
0,51
0,66
0,61
0,79
я
О
2
0
5
10
is ад
Рис 2.2. Динамика развития камуфлетов
полости при плотности заряжания ВВ 15(
кг/м3 (У); 1000 B); 500 (J); 400 ' v
Е*о/
г ' /о
R/Rn
Рис 2.3. Зависия
гии среды от положения
значения см. пис. 2.2V
II i *
вол
эне
(об
Величина Е,,
энергии
)ыва
на на рис. 2.3 для разных плотностей заряжания Ри Из л
следнего рисунка видно, что при R < 2R0 кинетическая энерг
среды возрастает по мере увеличения массы движущегося вещ
ства (увеличения радиуса фронта волны). Затем при R >
увеличение массы, вовлеченной в движение, не успевает i
пенсировать падение массовой скорости в волне сжатия и
результате величина Е, падает с увеличением фронта волны.
2.5. ПОДОБИЕ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ
ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УСЛОВИЙ ВЗРЫВАНИЯ ЗАРЯДА
Приведенное выше рассмотрение взрывного процесса показы
вдет, что изменение параметров источника сказывается в пер
вую очередь на энергетических соотношениях взрывного воздей
ствия. Действительно, предполагая, например, закон расшире
ния продуктов детонации в виде изэнтропы с постоянным пока
здтелем пИ) получаем для работы продуктов взрыва выражение
Е
о
1 - (рф/рвв)
Лн-1
где р* - конечная плотность продуктов в камуфлетной полости.
Следует отметить, что написанная формула справедлива,
вробще говоря, для полостей с ? > 1,5, поскольку при
1 < ? < 1,5 анализ затруднен газодинамикой воздушного про-
промежутка.
Из последнего соотношения следует, что "полезная" работа
продуктов детонации (энергия, переданная твердой среде при
взрыве) уменьшается при снижении плотности заряжания взрыв-
взрывного источника - увеличения относительного размера воздуш-
воздушной полости *-, что ведет одновременно к снижению р\,
либо уменьшению плотности заряжания р\ при связанном взры-
вр. Это подтверждается анализом экспериментальных данных
(fM, рис. 2.1).
Изменение энергоотдачи взрыва при варьировании плотности
заряжания является причиной нарушения подобия взрывного дви-
движения в общепринятом смысле (не общая энергия взрыва Ео, а
трлько переданная твердой среде часть е определяет характер
взрывного воздействия). Для проверки высказанного предполо-
предположения введем множитель эффективности взрыва
а, - е/Ео; (а, < 1)
и будем рассматривать параметры взрывного движения с исполь-
использованием координаты rlq ?/3, где с/0 - o^q. Обработанные та-
таким образом данные для зарядов различной плотности заряжания
привлечением значений о^ вычисленных с помощью рис. 2.1,
представлены на рис. 2.4-2.6 (максимальная массовая ско-
ррсть, длительность положительной фазы движения и максималь-
максимальные перемещения соответственно).
Из рис. 2.4-2.6 видно, что вне зависимости от характера
изменения плотности заряжания (использование ВВ разной плот-
плотности или применение воздушной полости) все эксперименталь-
экспериментальные данные группируются вокруг единых зависимостей. Это го-
говорит о выполнении принципа энергетического подобия примени-
применительно к параметрам движения твердой среды при взрыве заря-
Дрв с различной плотностью заряжания. Причем параметром по-
подобия является энергия еу переданная твердой среде при
51
t/g М/С
2000г
WOO -
400
100
40
10
0,04
0,1
о
о
д
D
А
- /
~5
-4
-5
-6
~7
A
\0
АО
a
a
Рис 2.4. Зависимость максимальных массовых скоростей при взрыве от при
веденного расстояния:
- связанный взрыв (плотность ВВ, кг/м3: 1500, 1000, 500 и 400 соот
3
р ( , , ,
ветственно); 5-7 - взрыв заряда плотностью 150d кг/м3 в полостях с ?,
¦ 1,5; 2 и 3 (плотность заряжания, кг/м3: 440, 190 и 55 соответственно)
0,2
Рис. 2.5. Длительность
фазы движения в волне
чення см. рис. 1.36)
положительно
сжатия (обозн;
СМ/КГ%
-1
9-3
9-4
л-5
а-6
а-7
о-?
•-2
Рис. 2.6. Зависимость приведенных Рис 2.7. Максимальная радиальная
максимальных перемещении в среде от составляющая массовой скорости при
приведенного расстояния (обозначе- связанном цилиндрическом взрыве в
ния см. рис 1.36)
U2, м/с
200
Соли:
1 - плотность ВВ 1150 кг/м3; 2 - то
же, 500 кг/м3
Рис 2.8. Максимальная продольная состав-
составляющая массовой скорости при цилиндрическом
взрыве в соли (обозначения см. рис 1.39)
100
-2
20
10
Рис 2.9. Приведенная длительность по-
положительной фазы движения при цилинд-
цилиндрическом взрыве в соли (обозначения см.
рис 1.39)
40
\
20
\
4
10
20
10
?
о
•-2
I I
2
Ю
взрыве. Особо следует отметить тот факт, что единственно!
величиной, определяющей энергию е для данной среды как npiS
связанном взрыве, так и при взрыве в воздушной полости
является плотность заряжания взрывного источника, что поз-
позволяет рассматривать указанные случаи изменения плотности
заряжания совместно.
В целях дополнительной проверки предложенного способ*
приведения парамеров движения среды в группу подобия npi
взрывах зарядов разной плотности заряжания, применим предло-
предложенную схему рассмотрения взрывного движения к случаю ци-
цилиндрического взрыва, предположив предварительно, что вели-
величина е при цилиндрическом взрыве примерно совпадает со своим
значением при взрыве сферического заряда той же плотносп
(имеется в виду, что в обоих случаях применяется одно и тс
же ВВ).
Воспользуемся результатами исследований цилиндрического
взрыва плотноупакованного заряда в соли [46]. Поправочный
множитель <Хэ будем выбирать в соответствии с усредненной за-*;
висимостью B.2), полученной для взрыва сферического заряда
в тиосульфате натрия (свойства соли и тиосульфата натрия
близки между собой).
В качестве примера на рис. 2.7-2.9 представлены соответ?
ственно максимальная радиальная составляющая массовой скоро-
скорости vi, максимальная продольная составляющая массовой скорей
era V2 и приведенная длительность положительной фазы движе-
движения в радиальном направлении x/ocj/2 в зависимости от привЫ
денного расстояния г/ (<х?'7?0), где Ro - радиус цилиндриче-
цилиндрического заряда. Первоначальные . экспериментальные данные за-
заимствованы из работы [46].
Из рис. 2.7-2.9 видно, что для предложенной схемы прове-
проведения взрывов экспериментальные данные, полученные при
взрыве цилиндрических зарядов разной плотности, с вполне
удовлетворительной точностью группируются вокруг единых за-
зависимостей.
Таким образом можно считать, что принцип подобия движения
по энергии, переданной твердой среде при взрыве, справедлив
и в случае взрыва цилиндрических зарядов разной плотности.
Анализ экспериментальных данных, полученных при исследо-
исследовании малозаглубленного взрыва, показывает, что в этом слу-
случае вопрос о подобии движения достаточно сложен. Действи-
Действительно, при подобии временных и амплитудных параметров взры-
взрыва по отдельности выделить общий параметр подобия не удается
вследствие несовпадения эффективностей малозаглубленного
взрыва по амплитуде Wi и длительности положительной фазы
движения иь- Однако более детальное рассмотрение имеющихся
данных свидетельствует о том, что при уменьшении прочности
взрывной среды эффективность малозаглубленного взрыва по ам-
амплитуде волны щ приближается к эффективности по длительно-
длительности <*>з ¦ Ниже приведено отношение <j)i/oh для различных по
54
прочности сред, полученное при взрыве сферического полуза
глубленного заряда 7) = 0. В качестве параметра, характеризу
прочность среды, выбран приведенный размер зоны разру
R+/Ro при взрыве в данной среде заряда-камуфлета.
фгношенне эффективностей малозаглубленного взрыва в зависимости от
прочности взрываемой среды
Среда Плексиглас Тиосульфат Канифоль
натрия
R/Ro 5tS 12,5 25
2,9 1,5 1
Для малопрочных сред (радиус зоны разрушения при взрыве
яда-камуфлета превышает 20Л0) принцип подобия должен вы-
I, в то время как для взрывов в прочных средах
(/?, < 2О/?о) можно говорить лишь о подобии по каждому из
параметров взрывной долны в отдельности.
Что касается усредненных характеристик малозаглубленного
взрыва, то, как мы убедились ранее (см. табл. 2.3), размер
зоны разрушения пропорционален переданной среде энергии в
степени 1/3. То же можно сказать о величине вытесненного в
упругую область объема А К, который, как показывают оценки,
находится в хорошем соответствии с е.
Относительный объем, вытесненный сейсмическим источником во внешнюю
область, в зависимости от относительной энергии, переданной твердой
среде при взрыве
Среда . , Тиосульфат Плексиглас
натрия
AVJ
Ski
№
0,31/0,47 0,3/0,49
)
27/0 41 ft
В числителе
Сказанное позволяет судить о подобии взрывного воздейст-
воздействия в присутствии свободной поверхности по усредненным ха-
ш: R+ (количество разрушенного материала) и AV
результирующий сейсмосигнал). В качестве параметра подобия
* этом случае также выступает энергия, переданная твердой
:реде в результате взрыва.
3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА
В ЗОНЕ НЕОБРАТИМОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СРЕДЫ
3.1. ОЦЕНКА РАЗМЕРОВ ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЯ
ПО ПАРАМЕТРАМ ДВИЖЕНИЯ СРЕДЫ
Одним из важных параметров взрывного воздействия в тве
дой среде, определяющих область инженерного приложения кру
номасштабного взрыва, является размер зоны разрушения - н
который линейный для взрыва сосредоточенного заряда разм
области, в которой материал среды претерпел необратимые и
менения, связанные с фрагментацией. Как правило, материя
находящийся в ближней зоне взрыва и разрушений в результа
интенсивного деформирования, своим строением и внешним виде
существенно отличается от своего первоначального состояния.
Визуально установить точную границу, отделяющую облас
разрушенного материала от остального массива, даже при м
дельных экспериментах, не представляется возможным. По эт
причине для оценок размера "зоны разрушения привлекаются к
нематические особенности взрывного движения. За границу за!
разрушения принимается поверхность, при переходе через кот!
рую в волне сжатия начинает формироваться фаза возвратно
движения (наиболее удаленная от взрыва поверхность, на ко*
рой остаточные перемещения частиц среды совпадают с макс
мальными). Этот сцособ предложен в работе [49] для устано
ления границы зоны разрушения в массиве горных пород п
подземных ядерных взрывах и детально обоснован в рабо
[64], Аналогичным образом удается выделить зону разрушения
в модельных экспериментах. При этом следует отметить, что
лабораторном эксперименте, где удается (в отличие от ц
турного взрыва) снять характеристики движения вблизи заря;
граница г ¦= R+ проявляется также изменением зависимой
максимальной массовой скорости и временных параметров воли
с расстоянием.
Однако нельзя с уверенностью утверждать, что грани
г - /?ф является точным размером окончательно сформирован»
при взрыве зоны разрушения. Скорее ее существование связа!
с изменением скорости протекания диссипативных процессов t
волне сжатия. Можно предполагать, что величина Л* определи
размер области, внутри которой происходит интенсивная ди
сипация энергии в самой волне, т.е. области объемного ра
рушения (интенсивного дробления). Что же касается мака
мального размера зоны разрушения, определяемого "медленны*
процессом периферийного трещинообразования (одиночные тр
щины пронизывают материал среды до расстояний, заметно пр
вышающих /?*), то этот размер является несущественной х
56
рактеристикой взрывного воздействия как с точки зрения
объема разрушенной среды (количество раздробленного мате-
материала) , так и с точки зрения влияния на формирующееся в
среде сейсмовзрывное движение. Характерно, что размер зоны
разрушения, полученный по параметрам движения среды, под-
подтверждается результатами измерения остаточных температур
[61] и непосредственными наблюдениями материала в ближней
зоне взрыва.
Рассмотрение остаточной плотности среды после взрыва по-
показывает (см. рис. 1.9), что по мере увеличения расстояния
от места взрыва и при приближении к границе зоны разрушения
остаточная плотность стремится к начальной. В работе [42]
предлагается использовать изменение плотности среды + после
взрыва для определения размера зоны разрушения. В частности,
там же оценивается величина Лф для тиосульфата натрия, рав-
ная 20-Ко. Однако следует иметь в виду, что применение ука-
указанного метода ограничивается некоторыми его недостатками:
во-первы. х, градиент изменения остаточной плотности
при взрыве мал (это затрудняет установление точного расстоя-
расстояния, на котором остаточная плотность сравнивается с началь-
начальной), во-вторых, ошибка в определении величины
Др/ро по параметрам движения в волне велика и достигает 50%
(в связи с тем, что сами параметры движения определются в
эксперименте с трчностью не выше 15%). Все это ограничивает
возможности более или менее точного определения размера зоны
разрушения по величине остаточного разуплотнения среды при
взрыве.
Сформированная взрывом волна сжатия в среде по мере рас-
расширения фронта видоизменяется, ее амплитуда падает. Если
вблизи заряда напряжения в среде, вызванные сжатием в волне,
превосходят прочность среды, вызывая разрушения, то на боль-
больших расстояниях амплитуда волны недостаточно для создания в
среде воздействия, превышающего прочностные характеристики
материала - здесь среда ведет себя квазиупруго. Введенный
термин "квазиупругость" [63] характеризует поведение среды в
большом диапазоне расстояний вне зоны разрушения материала.
Действительно, в области г > Лф движение среды стабилизиро-
стабилизировано по параметрам взрывного сигнала и скорости распрост-
распространения максимума волны сжатия (она равна скорости звука в
среде). Последнее приводит к постоянству времени нарастания
6 с расстоянием (см. рис. 1.3), что возможно только при
упругом поведении материала среды. Однако имеющиеся малые
отклонения от классической упругости существенно сказыва-
сказываются, например, на степени затухания волны по максимальной
массовой скорости, которая не соответствует упругому по-
поведению материала (в упругости степень затухания р ~ 1).
Разрушение твердых сред под воздействием взрывной нагруз-
нагрузки заключается в нарушении связности отдельных элементов
57
среды между собой, . что и определяет в итоге блочный состав
разрушенной породы при подземном взрыве. Сразу же следует
отметить, что расчленение породы на отдельные несвязные эле-
элементы не всегда приводит к их "свободному" распаданию по об-
образовавшимся поверхностям нарушения.
При камуфлетных взрывах в отсутствие поверхностей раз-'
грузки б|ольшие деформации, сопутствующие взрывному движению,
а также остаточные напряжения могут привести к достаточна
плотной упаковке отдельных элементров разрушенного в целом1
горного массива. В то же время нарушение связности массива,
вносимое в сплошную среду взрывным возмущением, проявляется
в изменении основных физико-механических свойств среды. Ус-
Установлено, например, падение скорости распространения воз-
мущений в среде, разрушенной взрывом, увеличение пустот-*
ности, а также проницаемости горной породы, не говоря уже
об изменении структуры горного массива вследствие поведения
новых и: раскрытия первоначально имеющихся трещин.
Однако несмотря на достаточное количество проявлений
взрывного разрушения массива, характер разрушения при взры-
взрыве, определяемый в значительной мере свойствами материала
среды и геологическим строением самого массива при натурных
взрывах, описать однозначно не удается. Сеть трещин при
крупномасштабных взрывах и видимые изменения материала при
лабораторных экспериментах не могут дать представления о
характере разрушения твердой среды. Помимо этого присут-?
ствующий при описании разрушения фактор условности в самом
определении понятия "разрушение" часто препятствует выра-
выработке единого мнения среди специалистов при описании конк-
конкретных нарушений в среде.
Тем не менее в описании взрывного разрушения существует
устоявшийся подход к оценке размеров зоны разрушения и ос-
основным изменениям, происходящим в твердой среде при взрыве.
Так, например, помимо непосредственного исследования пород-
породного массива для оценки размеров зоны разрушения можно во-
воспользоваться упоминавшимся ранее отличием в движении среды
при взрыве в ближней и дальней к заряду зонах. Другой способ
оценки размера зоны разрушения заключается в сопоставлении
размера R+ с длительностью . излучаемого в дальнюю область
сигнала [51].
Отличительной особенностью процесса разрушения при взры-
взрыве является его малая энергоемкость в сравнении с другими
проявлениями взрывного воздействия. Энергия, оставшаяся в
продуктах взрыва при взрыве заряда-камуфлета, оценивается в
20% полной энергии заряда ?о, энергия, расходуемая на нагрев
вещества в процессе деформирования разрушенного материала -
70% ?Ь, в квазиупругую область сигнал уносит до 10% Ео [36].
Таким образом, собственно процесс разделения на фракции идет
0,1-1% всей энергии взрыва. Помимо этого с точки зрения
установления зависимости между величиной энергии, расхо-
58
дуемой на дробление, и конечным распределением отдельностей
по размеру важно знать, является ли процесс фрагментации
проявлением скрытых неоднородностей среды (ослаблений) или
эхо возникновение неоднородностей в первоначально однородной
по структуре среде. Ответить на этот вопрос в настоящий
момент, к сожалению, нельзя.
Следует отметить различие в характере нарушенное™ раз-
различных сред при взрывном воздействии. Так, при взрыве в ка-
канифоли среда в зоне разрушения легко разбивается на струк-
структурные отдельности. При взрыве в тиосульфате натрия расчле-
расчленение разрушенного материала затруднено, однако путем микро-
скопирования также можно установить, что в зоне разрушения
среда распалась на отдельные элементы. Взрывное разрушение в
плексигласе характеризуется образованием большого количества
трещин преимущественно радиального направления. При взрыве в
пластически деформируемом металле отдельность в зоне разру-
разрушения практически не выделяется.
В связи со сказанным можно сделать заключение, что инди-
индивидуальные особенности материала среды существенным образом
сказываются на структурном состоянии среды в области взрыв-
взрывного разрушения.
Волновой характер взрывного воздействия приводит к рас-
распространению разрушения в среде с некоторой конечной скоро-
скоростью при наличии четко выделяемого фронта. Падение интен-
интенсивности волны сжатия с расстоянием до места взрыва приводит
к уменьшению скорости распространения фронта -разрушения в
среде. В результате фронт разрушения отстает от фронта волны
и при достижении своего максимального размера R+ останав-
ливается.
Как видно из рис. 1.11, сферически симметричное развитие
явления при камуфлетном взрыве приводит к образованию сим-
симметричной по форме зоны разрушения. Наличие свободной по-
поверхности вызывает существенную асимметрию в формировании
зоны разрушения, что в конечном итоге сказывается на ее кон-
конфигурации.
С целью установления качественных зависимостей и, в ка-
какой-то мере, пространственно-временных характеристик процес-
процесса разрушения при взрыве вблизи свободной поверхности прово-
проводилось исследование взрыва микрозаряда тэна в монолитных
блоках плексигласа размером 15x18x18 см. Механические ха-
характеристики используемого плексигласа соответствовали ха-
характеристикам материала, используемого ранее при определе-
определении волновых параметров взрывного воздействия.
Установка для наблюдения явления схематично изображена на
рис. 3.1. Разрушение фиксировалось в проходящем свете с по-
помощью скоростного фоторегистратора (СФР), работающего в ре-
режиме как покадровой, так и непрерывной развертки. Блок с за-
зарядом располагался так, чтобы помимо заряда, устанавливаемо-
59
5
Рис 3.1. Схема опыта:
1 - модельный блок; 2
свободная поверхность;
света; 5 - рассеивающий
- заряд ВВ;
4 - источи
экран
Рис. 3.2. Годографы волны сжатия (прям
волна - i, l' и отраженная - 2, 2')
фронта разрушения (центральной зоны - 4
откольной - 5, 3 ); J, 7 - годогр|
стенки полости, б - область разрушен но
материала среды
Рис. 3.3. Осциллограмма скорости движет
свободной поверхности
го на оптической оси прибора, в поле зрения последнего попа
ла свободная поверхность. Источником света служила либо лам
па-вспышка, либо источник взрывного типа - смесь порошк
разного гексогена и алюминиевой стружки. Вместо конденсор
применялся рассеивающий экран из тонкой бумаги. „
Результаты обработки экспериментов приведены на рис. 3.2J
Сплошные линии соответствуют взрыву заряда массой 7,8-10
кг на глубине h * 5/?0, пунктирные - взрыву того же заряда
глубине А * 3-Ко.
В отличие от камуфлетного взрыва при взрыве в присутстви)
свободной поверхности помимо центральной (сферической) зон:
разрушения, возникающей в непосредственной близости от гг
рада, образуется область разрушения материала вблизи с»
бодной поверхности, что приводит к вытягиванию зоны раз;
рушения вдоль оси z в более поздние моменты времени. Дс
полнительное по сравнению со случаем tj —* оо разрушен»
вызывается хорошо известным явлением откола, а точнее мне
жественного откола, когда каждая из образующихся разгру
женных в процессе разрушения поверхностей становится исто*'
ником последующих отколов.
Более подробный анализ показывает, что одновременное с>
ществование зон откольного и центрального разрушения возмоя
но только при т/ > 3. При взрыве заряда с относительным з*
глублением т) =» 3 в области между зарядом и свободной поверх
ностыо центральная зона разрушения не успевает образоваться
так как к полости подходит зона откольного разрушения (с»
рис. 3.2),
60
Зоны откольного и центрального разрушения, распрост-
распространяясь в пространстве, движутся навстречу доуг другу, затем
сливаются, и только после этого начинает формироваться шей-
шейка разрушения в материале, непосредственно прилегающем к
свободной поверхности, что вызывается интенсивным движением
разрушенной среды в сторону свободной поверхности.
Совместное рассмотрение отдельных этапов формирования зо-
зоны разрушения при малозаглубленном взрыве и скорости движе-
движения свободной поверхности позволяет сделать некоторые выво-
выводы. На рис. 3.3 приведена осциллограмма скорости движения
свободной поверхности вдоль оси z, полученная электромагнит-
электромагнитным методом измерения массовых скоростей [64]. Наряду с пер-
первым максимумом, связанным с выходом волны сжатия на свобод-
свободную поверхность, наблюдается второй, меньший по амплитуде.
Анализ показывает, что второй максимум совпадает по времени
с началом образования шейки разрушения, т.е. выходом разру-
разрушения на свободную поверхность. Начало подрастания массовой
скорости в промежутке между максимумами соответствует появ-
появлению зоны откольного разрушения.
3.2. О ПРИМЕНИМОСТИ УПРУГОЙ МОДЕЛИ СРЕДЫ
ПРИ АНАЛИЗЕ ВЗРЫВА
м
Рассмотрим простейшую задачу: в упругом безграничном
пространстве с коэффициентом Пуассона v - 1/3 в полости
радиусом гг в момент времени t - О мгновенно возникает дав-
давление Рн, которое затем остается постоянным. Результаты
расчета радиальных сг и азимутальных сг напряжений в про-
пространстве в различные моменты времени приведены на рис. 3.4.
Из расчета следует, что большие растягивающие напряжения
наблюдаются лишь вблизи полости при г < 1,5+2г3. В опыте
центральная зона интенсивного разрушения имела размер около
4гз. Из расчета также следует, например, что на расстоянии
г ¦= 10г3 длина фазы сжатия в волне А+ « 1,3гз (по радиальной
компоненте). В опыте при т> - 10 толщина откола около 2гз,
следовательно, А+ > 4гз. Такое различие между опытом и рас-
расчетом, а также разогрев материала и наличие неупругих де-
деформаций (разрушений) вокруг полости свидетельствовали о
том, что упругая модель не может быть применена для описа-
описания поведения материала во всем диапазоне расстояний.
Однако можно ожидать, что с некоторого расстояния, когда
напряжения в волне существенно падают, упругая модель будет
в какой-то мере оправданной. Действително, такое качествен-
качественное соответствие между результатами расчета и опытом можно
получить, если принять за радиус источника упругих колебаний
= 2,5г3. Отсюда следует, что пластическое течение мате-
материала, наблюдаемое при камуфлетном взрыве, приводит к увели-
увеличению эффективного радиуса источника в упругой модели.
61
Некоторые эффекты по влиянию центральной зоны разрушения
могут быть оценены из рассмотрения аналогчной статичрско*
задачи (т.е. при t -*¦ со). Из теории упругости для этопц
случая известны выражения для • радиальных и азимутальные
напряжений
<г
н
<р 2
Расчет радиуса зоны разрушения при таком распределении на
пряжений и без учета изменения свойств материала послр егс
разрушения дает слишком заниженный результат по сравнению <
опытом. Если же предположить, что среда внутри этой зон^ за>
ранее разрушена радиальными трещинами, то распределение на
пряжений примет вид:
(Г
Р (г /гJ
<г
<р
О
и конечный радиус зоны трсщиноватости
Лтп —
2<г
где <гр - прочность материала на растяжение. В случае
сигласа (гр = 50f70 МПа и зарядов тэна при р3 = 1,4 г/см*
Р» ~ 104 МПа получим RT « 8-^10г3, что соответствует экспе-
экспериментальному значению Rw = 7*9г3.
Таким образом сравнение расчетов по упругой модели и
опытных данных показало, что пространственно-временные ха-и
-ОА
Рис. 3.4. Распределение радиальных
напряжения за фронтом волны
н
о
0.4
0,8
(а) к азимут^шьных F) составлрюну
62
рактеристики процесса разрушения существенно зависят от
поведения материала вблизи очага взрыва. Наличие пласти-
пластической зоны деформирования вокруг полости эквивалентно
увеличению размеров источника, излучающего упругую волну.
3.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОЙ
СРЕДЫ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ВЗРЫВА
Большие напряжения, достигаемые в зоне неупругого дефор-
деформирования подземного взрыва, неизбежно приводят к интенсив-
интенсивным диссипативным процессам, следствием чего является значи-
значительное повышение температуры деформируемой взрывом среды.
Исследования, проведенные в ближней к очагу взрыва зоне, по-
показывают, что температура горной породы остается весьма вы-
высокой даже спустя длительное время после проведения взрыва.
В качестве иллюстрации в табл. 3.1 приведены максимальные
значения, а на рис. 3.5 - пространственное распределение
температуры в среде при некоторых подземных ядерных взрывах
[83]. Основные характеристики природных материалов в указан-
указанных экспериментах представлены ниже.
Порода Гранит Соль Туф
Плотность, кг/м3 _ 2670 2200 1850
Пористость, % 0,9 3 32
Влажность, % 0,9 1,0 15
Измерение температур проводилось с помощью скважин спустя
несколько месяцев с момента взрыва [83]. Данные, полученные
на расстояниях, меньших радиуса полости, соответствуют изме-
измерениям, проведенным в расплаве, скопившемся на дне полости,
либо в обломках породы, заполнивших нижнюю часть полости при
обрушении ее свода.
Результаты измерения остаточных температур в модельном
эксперименте [61] (взрыв сферического микрозаряда в тиосуль-
тиосульфате натрия) приведены на рис. 3.6. Следует отметить, что
температура среды вблизи заряда приближается к температуре
плавления модельного материала.
По распределению остаточных температур в среде ДГ(г) лег-
легко подсчитать энергию, оставшуюся в виде тепла в слое веще-
вещества толщиной dr:
Q(r) =
C.1)
где эс - теплоемкость материала среды.
Анализ баланса тепловой энергии при взрыве показывает,
что на разогрев среды в ближней к заряду зоне расходуется
около 80% всей энергии взрыва Ео. Для тиосульфата натрия,
теплоемкость которого составляет 1450 Дж/(кг- С), указанная
величина приближается к 70% Ео.
63
Таблица 3.1
Максимальные температуры, зарегистрированные
в среде при некоторых подземных ядерных взрывах
Эксперимент
Среда
Мощность
взрыва,
кт
Глубина
взрыва,
м
Макси-
Максимальная
темпера-
температура, С
Время прове-
проведения изме-
измерений (после
взрыва, мес)
Тамалпейз
Рейниер
Гном
Хардхэт
Логан
Шоул
Туф
Соль
Гранит
Туф
Гранит
0,072
1,7
3
5
5
12
100
240 ,
361
286
253
367
53
94
83
88
85
599
3
5
6,5
И
6
2,5
Если предположить, что все тепловые потери, связанные с>
необратимостью деформирования твердой среды, сосредоточены
в ближней области - зоне разрушения материала, легко оце-;
нить размер зоны разрушения, пользуясь измерениями оста*
точных температур. Для тиосульфата натрия, как это следует
из рис.3.1, зона разрушения составляет A2-14) Ло. Напомним,
г;с
80
60
40
20
0
Рис 3.5. Температура среды при подземном
• ядерном взрыве в зависимости от приведенного
"* расстояния; экспериментальные данные при
взрывах:
7 - "Гном" (измерения спустя 6 мес после
-j 1——i ' ' взрыва); 2 - "Шоул" (спустя 2,5 мес); 3 -
Ю 20 30 г/д*м/к№ "Хардхэт" (И мес)
40
10
1fi
о,*
0,1
1
64
оо
о\о
о
о о
о
10 r/R.
Рис. 3.6. Остаточные температуры среды
при модельном взрыве в тиосульфате [63]
рис. 3.7. Количество энергии, днссиниро-
клниой в слое вещества толщиной dr.
I - по результатам измерения остаточных
температур; 2
расчет при
расчет т
0,6
сг
0,4; 3
Qf?e,
го
т
5
о
9
что радиус зоны разрушения, оцененный по измерениям массовых
скоростей, составил для тиосульфата натрия 12,5RO. Совпа-
Совпадение можно считать хорошим, учитывая сложность измерения
малых температур (повышение температуры вблизи границы зоны
разрушения незначительное).
Напряженное состояние твердой среды в зоне неупругих
деформаций. В связи с тем, что на конечное состояние среды
после взрыва существенным образом влияет характер перенесен-
перенесенных ею в волне сжатия нагрузок представляет интерес рас-
рассмотреть напряжения, достигаемые при взрывном воздействии.
Вопрос о поведении вещества в зоне больших неупругих де-
деформаций подземного взрыва рассматривался авторами преимуще-
преимущественно с точки зрения определения значения диссипируемой
энергии. В настоящей работе поставлена другая задача; опре-
определить напряженное состояние среды при взрыве, исходя из из-
известных потерь энергии. Результаты измерения параметров вол-
волны сжатия и имеющиеся данные о величине остаточных темпера-
температур в одной и той же среде - тиосульфате натрия позволяют
определить связь между главными напряжениями в ближней зоне
взрыва. Приведенный ниже расчет выполнен в предположении,
что за время диссипации основной доли энергии продукты дето-
детонации не успевают проникнуть за пределы камуфлетной полости.
В дальнейшем понадобятся для вычислений значения функции
C.1). Вид зависимости Q(r), полученный с использованием ве-
величины остаточных температур (см. рис. , 3.6), приведен на
рис. 3.7 в виде сплошной линии.
Для описания движения среды за фронтом волны воспользуем-
воспользуемся сферической системой координат с центром в центре заряда.
Следует объяснить, что имеется в виду под фронтом волны сжа-
сжатия. На эпюрах массовых скоростей не наблюдается фронтов и
упругих предвестников. Предвестник связан непрерывным нара-
нарастанием с максимумом массовой скорости. А так как отличие в
скоростях распространения вступления и максимума волны со-
ставляет величину не более 15% скорости распространения
вступления с - 4500 м/с, область перехода среды от покоя к
движению с максимальной скоростью можно рассматривать как
стационарную. Таким образом под фронтом волны будем по-
понимать поверхность г - R, на которой среда обладает макси-
максимальной на данном расстоянии от взрыва массовой скоростью.
После сказанного можно считать, что на фронте волны вы-
выполняется интегральное соотношение
C-2)
где <г - радиальная компонента тензора напряжений.
Здесь следует сделать небольшое отступление. Соотношение
C.2) справедливо, вообще говоря, только для стационарны*
переходов, структура которых близка к ударному разрыву. При
непрерывных переходах, когда массовая скорость плавно на-
нарастает от нуля до vo, соотношение C.2) может рассматри-
рассматриваться лишь в качестве приближения. Предположим, что в ин-
интервале 0 < о) < в, где в - время нарастания массовой ско-
скорости до максимального значения, скорость среды описывается
зависимостью
v «= w»in(iw/26); ш ~ t - г/с.
Определяя смещение среды
и ш
и
d cos
и привлекая для оценок соотношение упругости A.7) совместнс
с результатами эксперимента
получаем при сделанных предположениях более точное соотноше*
ние
_ 2l> , 2св
0 "*0 1- v ' Яг
Оценки с использованием конкретных значений параметро!
no, wo, v и временных характеристик волны сжатия показываю!
что отличие <г , вычисленного по последней формуле, от зна
чений, полученных с использованием зависимости C.2), ш
превышает 15% (с учетом изменения величины в). Поскольк]
проводимые далее оценки не требуют большой точности, дл
расчетов будем привлекать соотношение C.2), что заметно уи
рощаст решение.
Вернемся к исходной задаче. Подставляя зависимости A.1
и A.2) в уравнение движения
66
д<г
д
2
(сг -
г г
<р
получаем в предположении р * const
дет
Ъ
- - -2A -
г
Г
к
о
it
где сг - азимутальная компонента
m обозначено отношение
Работа внутренних напряжений
вещества толщины dr составляет
C.3)
тензора напряжений; через
в единицу времени в слое
dt
4irr2<r
(Ау.
Л дг
lm
-А
(Г т у
C.4)
Если теперь к уравнениям C.3) и C.4) добавить связь
<г и <г или, что то же, задаться величиной m , можно
я, при
определить зависимости сг (г, R) и Q(r). В част*
решении задач часто применяется условие пластичности Кулона
в виде
О,
m - const.
В этом случае уравнения C.3) и C.4) легко интегрируются
и решение выписывается в явном виде. Действительно, с по-
помощью ранее записанных соотношений A.1) и C.2) получаем
сг
3-ио -
R
3 -
о ¦
R
2A-т )
2A-
R
г
R
г
povo.
При п.
2 Ъ к
принимает простой вид
1,4 и nip «0,4 написанная зависимость
(Г
г
О
V (Я
(Н "
Интегрирование уравнения C.4) следует проводить с у^
энергии, диссипированной на фронте волны. Условие необрати-
необратимости деформирования при ударном переходе формулируется сле-
следующим образом
67
г « R; Q(r) -
В результате интегрирования C.4) с использованием A.1),
A.2) и последнего соотношения получаем
Q(r)
(а а2/г2п°-2)
а
2<xC-2m
X
у
1 - •=
2аC-2т
5
1 -
>\
Зпо-2
1
-ы
5+р
( г )
' где т - длительность волны сжатия в зоне разрушения взрыв
^ - 2пРо{ко •
; р
У
,2/1о
- 2*о - 1;
Зр -
- 3; 6
- 1.
1р +
(Г
- ко - 3; е = 2по
Значения величины Q(r), подсчитанной для т - 0,4 и т
3.7
06, приведены на рис. 3.7 в зависимости от расстояния
взрыва г. Из кривых рис. 3.7 видно, что найденные при
<г
• "if
¦
const значения функции Q(r) существенно отличаются от сво
значений, вычисленных по остаточным температурам. Прич;
можно сделать предварительный вывод о том, что с увеличени;
расстояния г (при падении величины радиального напряженй
отн<
ение т должно падать и наоборот.
Далее будем искать величину т в виде функции радиальнс
(Г
¦ м
о
0,5
0
-6г,ГПа
г,
рис. 3.8. Распределение радиальных
напряжений за фронтом волны (поло-
(положение фронта обозначено вертикаль-
вертикальными сплошными линиями):
4 - расчет по тепловым потерям; 2 -
расчет при т- - 0,4
Рис. 3.9. Отношение главных напри
жений в среде при взрыве
МП а
Ш
Рис. ЗЛО. Радиальные напряжения в
Еолне сжатия со вс
1ряд;
-4
E,04 м B)
массой 7,8 • 10
а расстояниях
кг в тио-
икс
напряжения, не задаваясь условием, регулирующим связь между
и ст. Чтобы замкнуть систему уравнений, вместо условия
f г
пластичности привлечем функцию Q(r), выраженную через
оргаточные температуры в среде с помощью зависимости C.1).
В этом случае совместное численное интегрирование уравнений
C.3) и C.4) с учетом C.2) и условия необратимости дефор-
деформирования на фронте
г = R:Q(r)
69
дает вид функции т (<г) и одновременно распределение на-
напряжения сг^ за фронтом волны.
При вычислениях в качестве начального приближения выбира-
выбирались значения *п {<? ), полученные в результате расчета в
предположении т = const. Результаты расчетов приведены на
рис. 3.8 и 3.9. На рис. 3.8 для сравнения приведены распре-
распределения <гг(г), вычисленные при т^ = const = 0,4.
Из приведенной на рис. 3.9 зависимости видно, что отноше-
отношение т ¦= о* /<г увеличивается при повышении абсолютной вели-
величины и стремится к единице при |<г ) ->4ГПа. Примечательно,
что значение 4ГПа примерно соответствует величине 0,1 Рос2
для тиосульфата натрия, т.е. прочности монокристалла.
Существенно, что распределение сг (г), полученное расчетом
с т - const и т ~ m<r^°V заметно отличаются. Это говорит о
том, что при оценках напряженного состояния соеды в зоне
разрушения пользоваться зависимостью <г ~ const <г нельзя.
Необходимо вводить поправки, учитывающие изменения в зависи-
зависимости с (ег^ с расстоянием до взрыва.
Одним из наиболее важных вопросов при рассмотрении напря-
напряженного состояния среды при взрыве является вопрос об оста-
остаточных напряжениях в среде после окончания движения. Полу-
Полученные распределения <г (г, R) позволяют определить остаточ-
ные напряжения с расстоянием от взрыва. На рис. ЗЛО приве-
приведено изменение радиального напряжения сг со временем на не
которых расстояниях от взрыва г для заряда ВВ массой
7,8 • 10~4 кг. Видно, что несмотря на окончание движения
(длительность волны составляет около 3е 10 с), среда нахо**
дится в поле достаточно высокого радиального напряжения, со-?
ставляющего величину до 45% <г
-
3.4. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА
НА ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАЗРУШЕННОЙ СРЕДЫ
Блочное строение твердой среды, разрушенной в результат
взрывного воздействия, характеризуется распределением г
размеру образовавшихся отдельностей. Непосредственное изуче
ние гранулометрического состава проводится на основе разра-
разработанных методов путем определенного объемного либо весового!
вклада каждой фракции (или группы фракций) в общее количеств
во исследуемой горной массы. В качестве примера в табл. 3.2
приведены гранулометрические составы породы, разрушенной ц
70
Таблица 3.2
гранулометрический
х, м
состав взорванной массы
Весовая доля отдельностей,
шает х,
"Пайлдрайвер"
размер которых л ревы-
1 /О
"Денни-Бой"
0,012 89 92
0,025 85 89
0,05 80 85
ОД 70 76
0,15 55 70
0,3 40 57
0,6 15 37
0,9 5 25
1,2 2 17
результате камуфлетного взрыва "Пайлдрайвер' эквивалентной
мощностью 60 кт, и навала породы, образовавшегося в резуль-
результате эксперимента "Денни-Бой" (эквивалентная мощность взрыва
0,42 кт [88].
Аналитическое построение функции распределения отдельно-
отдельностей по размеру требует привлечения конкретных вероятности]
относительно механизма разрушения горной поро-
породы, иаиоолее часто употребляемыми в. практике взрывного дела
являются логнормальное распределение
у гу2
1 * .„_ 1 I л,. C.5)
и распределение Розина-Раммлера
mo
ехр
C.6)
где тЛх) - масса отдельностей, размер которых превышает х;
то - общая масса исследуемой породы; у = (\пх - 1шсоа
*оо, (г0, хо и п - параметры соответдгвующих распределении,
причем дгоо и *о характеризуют степень дробления, а <г0 и п -
В качестве иллюстрации на рис. 3.11 и 3.12 приведены ре-
обработки данных табл. 3.2 в спрямляющих координа-
координатах, характерных для логнормального распределения и закона
Розина-Раммлера. На рис. 3.11-3.12 видно, что в отличие от
логнормального распределения зависимости, описывающие гра-
гранулометрический состав в координатах закона Розина-Раммлера,
являются практически линейными. Это свидетельствует о том,
что
в результате крупномасштабного воздействия, более
71
У
2
1
О
-1
-5
V
о-2
-1
1пх,м
In In mo/m+
Рис, 3.11* Гранулометрический сос-
состав взорванной массы в спрямляющих
координатах, характерных для рас-
распределения B.5):
1 и 2 - соответственно эксперименты
"Лайлдрайвер" и "Дени-Бой*
Рис. 3.12. Гранулометрический
тав взорванной массы в спрямля
координатах, характерных для
пределения B.6) i
рис. 3.11)
сое-
рас
см
является закон Розина-Раммлера. В дальнейшем при описант
гранулометрического состава взорванной породы будем пол?
зоваться законом Розина - Раммлера, не обсуждая его д
стоинства и недостатки. При этом следует иметь в виду, чг
результаты рассмотрения сравнительных характеристик
ления породы при взрыве не зависят от выбора вида вероят(
костного распределения. ;
Зная относительный вклад каждой фракции Дт (х), легко
тановить средний размер отдельности
C.71.
где суммирование производится по всем размерам имеющих*
фракций. В том случае, когда вклад конкретной фракции Дт
известен, а известен групповой вклад фракций (ситовый ан1
лиз), величина <х> определяется по параметрам распределен!
C.6) следующим образом [281: ;
C.8)
гамма-функция соответствующего аргумента^
где Г И +
Результаты 'обработки имеющихся данных по гранулометрич
скому составу породы при крупномасштабных и модельных взр
вах приведены на рис. 3.13 и 3Л4 в виде зависимое!*
и
Из рис. 3.13 видно, что средний размер образовавшихся
72
Р О
10%кг
Рис. 3.13. Средний размер отдель-
отдельности в среде, разрушенной взрывом:
1 - взрывы химического ВВ; 2 - под-
подземные ядерные взрывы
Рис. 3.14. Показатель распределения
Розина-Раммлера для горной массы,
разрушенной взрывом (обозначения
см. рис 3.13)
результате разрушения массива отдельностей ведет себя немо-
немонотонно при изменении масштаба взрыва. Если при взрывах ма-
малого количества ВВ A0~2 кг 4 д 4 102кг) средний размер от-
отдельности возрастает с увеличением массы заряда:
<х> - 0,23^*, м ([д] - кг),
то при крупных взрывах (д
ности в разрушенной среде
симости
C.9)
> 103 кг) средний
слабо изменяется
размер отдель
согласно зави
0,42</
-0,12
М
кт).
(ЗЛО)
Некоторые соображения качественного характера относитель-
относительно механизма разрушения горной породы при взрывах разного
масштаба позволяют интерпретировать общий ход зависимости
<х>(д) на рис. 3.13.Действительно, наибольшие деформации ма-
материала среды на близких расстояниях от взрыва достигаются
после прохождения фронта волны [69]. При этом возможен про-
процесс дробления среды внутри области, охваченной фронтом вол-
волны (множественное трещинообразование). Привлекая для оценок
критерии геометрического подобия параметров взрывного движе-
движения, легко получить, что при дроблении породы в процессе ее
деформирования за фронтом волны средний размео отдельности
должен возрастать с ростом масштаба взрыва как д13. Естест-
Естественно- предполагать (и это не лишено оснований 169], что ука-
указанный механиз дробления осуществляется при взрыве зарядов
с малой энергией. Последнее полностью подтверждается зави-
зависимостью C.9).
В случае крупномасштабных взрывов разрушение породы осу-
осуществляется в волне сжатия, причем степень дробления среды
определяется как амплитудой волны, так и продолжительностью
той части фазы сжатия тп, в которой напряжения превосходят
по значению прочность горной породы. Что касается продолжи-
73
тельности положительной фазы волнового движения, то этот па-
параметр должен учитываться только в том случае, если он со-
соизмерим с <х>/с. Сказанное в равной степени относится и к
параметру тп.
При крупных взрывах единственным параметром, определяющим
размер отдельности, образующихся на разных расстояниях от
взрыва сосредоточенного заряда, при дроблении в результате
нагружения волной сжатия является амплитуда волны напряже-г
ний. При условии, что среда однородна, средний размер от-
отдельности при взрывах разного масштаба определяется значени-
значением напряжений, достигаемых в волне. Отсюда следует, что в
пределах объема, пропорционального мощности взрыва, инте-
интегральный гранулометрический состав взорванной массы не дол-
должен зависеть от масштаба воздействия. Учитывая, что на фик-
фиксированных расстояниях от взрыва амплитуды волны пропорцио-
пропорциональна д"°/3, где по - степень затухания волны (по « 1,6),
а максимальные перемещения пропорциональны i2'3, полу-
получаем, что в реальном случае размер отдельности должен не-
несколько уменьшаться с ростом д> вследствие дополнительного
дробления горной породы в объеме (результат поршневого
действия продуктов взрыва). Причем вклад указанной добавки
возрастет с увеличением масштаба взрыва как q "^
Сказанное полностью соответствует зависимости (ЗЛО).
Смена механизма разрушения среды при изменении масштаба
взрывного воздействия заметно сказывается на равномерности
дробления. Для взрывов малой энергии, когда осуществляется
дробление в объеме, материал среды подвергается многократно-
многократному разрушению. Вследствие этого при взрывах малого масштаба
наблюдается более равномерное дробление породы по сравнению
с крупномасштабным взрывом, когда дробление среды осуществ-
осуществляется в основном на "фронте" волны, в результате чего пре-
превалирует однократный процесс трещинообразования. Иллюстраци-
Иллюстрацией к сказанному является .характер изменения параметра равно-
равномерности дробления среды п с ростом масштаба взрыва (см.
рис. 3.14). Действительно, по мере увеличения веса заряда
наблюдается уменьшение параметра (что свидетельствует об
уменьшении равномерности дробления). При этом следует отме-
отметить, что равномерность дробления практически не зависит от
мощности взрыва в весьма широком диапазоне ?, начиная с
q « 102 кг. Последнее значительно упрощает прогноэтические
оценки гранулометрического состава крупномасштабных взрывов,
поскольку с достаточной для практических целей точностью
можно положить п = const ^ 0,8.
Падение интенсивности взрывного воздействия с расстояни-
расстоянием, вызванное геометрическим расхождением волны сжатия и
диссипативными потерями энергии, приводит к изменению грану-
гранулометрического состава взорванной породы по мере удаления от
места взрыва. Если вблизи камуфлетной полости, где массив
претерпевает значительные по величине абсолютные деформации,
74
Рис. 3.15. Средний размер отдельности в мае- <х>
сиве, разрушенном крупномасштабным взрывом 2,0
эквивалентной мощностью 2 кт
1.0
0,4
0,2
20 40
достигается высокая степень дробления породы и средний раз-
размер отдельности составляет около 2-Ю м, то вблизи границы
зоны разрушения размер куска приближается к размеру естест-
естественной отдельности в массиве. В качестве иллюстрации на
рис. 3.15 представлен средний размер отдельности на разных
расстояниях от взрыва, полученный при исследовании породы в
зоне разрушения крупномасштабного взрыва эквивалентной
мощностью около 2 кт. Величина <х> определялась в настоящей
работе на основе результатов фильтрационных испытаний раз-
разрушенного взрывом массива с помощью методики, подробно
описанной в разд. 2.6.
С целью установления более детальных характеристик разру-
разрушения среды при подземном взрыве проводился лабораторный эк-
эксперимент по определению гранулометрического состава мате-
материала на разных расстояниях от взрывного источника. В каче-
качестве отдельной среды использовалась канифоль - хрупкий, лег-
легко разрушаемый материал, удобный при проведении ситового
анализа. В данном случае канифоль выбрана не случайно. Поми-
Помимо того, что указанный материал обладает высокой способно-
способностью к дроблению, не составляет труда разобрать разрушенное
вещество на отдельности по трещинам, которые отчетливо про-
просматриваются. Контроль за качеством разделения разрушенной
канифоли на отдельности облегчается тем, что каждая отдель-
отдельность по себе прозрачна.
Рассев разрушенной в результате взрыва канифоли прово-
проводился с помощью набора сит с размером ячеек от 5*10*5 до
Ю~2 м. Помимо просеивания всей массы разрушенного материала
75
(радиус зоны легко разбираемого материала составляет около
?
0*, Лф для канифоли составляет 25Ro [68]) проводилось
выборочное исследование вещества, расположенного на раз-
различных расстояниях от центра взрыва. В качестве иллюстрации
на рис. 3.16 приведены результаты обработки полученного
гранулометрического состава для некоторых расстояний при
взрыве плотноупакованного заряда тэна массой 4-Ю кг
плотностью 1500 кг/м3. Там же для сравнения приведены ре-
результаты просеивания всего объема разрушенного материала.
Проведенные исследования показывают, что при анализе гра-
гранулометрического состава взорванной массы с достаточной для
практики точностью можно пользоваться распределением Рози-
на - Раммлера. При этом распределении отдельностей по раз-
размеру как на разных расстояниях от взрыва, так и в сумме
характеризуются примерно одним и тем же значением параметра
равномерности п. Из этого следует, что дисперсионные ха-
характеристики гранулометрического состава взорванной массы
определяются только общими условиями взрыва. Последнее ут-
утверждение существенно облегчает анализ взрывного разрушения,»
поскольку из числа параметров, определяющих дисперсию гра-
гранулометрического состава, можно априори исключить те, ко-
которые являются функцией расстояния до взрыва (амплитуда
нагрузки, величина остаточной деформации и т.п.). 1
Разрушение среды при взрыве приводит к образованию тре-
трещин, разделяющих отдельности. Это в свою очередь ведет К
разуплотнению среды по сравнению с первоначальным состояний
ем. Наличие гранулометрического состава, локализованного н
разных расстояниях от взрыва, позволяет восстановить величи
ну разуплотнения (р - Ро/ро в канифоли. Через р0 и р обоз*
начены плотность среды соответсвенно до и после взрыва. Для
оценок положим
"(Р - Ро)/ро - -~~
где ?i - просвет разделяющей трещины; S\ - общая поверхносп
всех отдельностей в единице объема разрушенного вещества на
данном расстоянии от взрыва, причем [107]
хо
В качестве иллюстрации на рис. 3.17 приведена величина
(р - Ро)/ро, полученная в результате оценок по данным гра
нулометрического анализа. При оценках предполагалось, чт
раскрытие трещин ?i постоянно на всех расстояниях от взрыв
и принимает значение 1,6• 10 м. Для сравнения на рис. З.Г
приведены данные, полученные в работе [68] на основе из
мерения поля массовых скоростей в канифоли. Совпадение ре-
результатов подтверждает правильность сделанных предположений^
76
In in mo/m+
3
Ф- 7
•o- 2
-3
-6
Рис З.|16. Гранулометрический сос-
состав канифоли, разрушенной взрывом
заряда массой 4* 10~4 кп
У - на расстоянии 0,02 м от взрыва;
2 - на расстоянии 0,035 м; 3 - сум-
суммарный 'гранулометрический состав
Рис. 3.17. Разуплотнение канифоли
после взрыва:
1 - оценки по гранулометрическому сос-
составу; 2 - по остаточным перемещениям
Po:P/f>o,%
10
о
tnxf[xl=MM
0,4
од
0.1
2
10
20г/Рс
эронее изучение взрывных процессов в твердой среде
и одновременная регистрация самых разных параметров взрыв-
взрывного воздействия позволяют сделать важный вывод о невоз-
невозможности описания пространственно-вдеменных и структурных
параметров разрушения среды на основе средних характеристик
механического движения, вызванного взрывом.
Разрушение, зафиксированное за фронтом волны сжатия, ни
коим образом не проявляется на эпюрах массовых скоростей,
что подтверждается как выводами настоящей работы, так и име-
имеющимися в литературе данными. Это в свою очередь не позволя-
позволяет устанавливать момент разрушения среды по кинематическим
параметрам. Кроме того, большое разнообразие материалов,
гсрных пород и условий взрывания - все это не дает возможно-
возможности говорить определенно о структуре вещества, разрушенного
взрывом, исходя из картины механическрго движения и динамики
развития зоны разрушения. Чтобы сделать это, требуется ре-
решить ряд сложных задач, связанных с установлением поведения
материала среды до наступления разрушения и поведением ра-
разрушенной среды в запредельной области.
Результаты лабораторных исследований, проведенных с целью
установления поведения среды в ближней зоне подземного взры-
взрыва, показывают, что для получения данных о степени нарушен-
нарушенное™ реального горного массива при крупномасштабном взрыве
знать параметры взрывного движения среды в от-
77
дельных ее токах. Для получения сведений о структуре нару-
шенногс|> массива необходимо либо многоточечное фиксирование
параметров с анализом особенностей движения каждой отдельно
взятой части среды (отдельности) и последующей статистиче-
статистической обработкой полученных данных, либо проведение дополни-
дополнительных исследований массива после взрыва.
В соответствии с отмеченным возникает необходимость в
разработке новых (желательно несложных) средств изучения
разрушенной взрывом среды. Одним из возможных направлений в
этой области мыслится применение фильтрационных исследований
нарушенных массивов горных пород с целью описания изменений,
происшедших в среде в результате взрыва.
Влияние плотности заряжания взрывного источника на сте-
степень дробления среды. Напомним, что исследование абсолютных
характерстик разрушения /на модельной среде весьма малоин-
•мат^вно вследствие возможных качественных отличии при
разрушении модельных и натурных сред. Однако весьма полез-
полезным является изучение на модели относительных характерстик
разрушения, например, изменения гранулометрического состава
взорванной массы в зависимости от условий взрывания заряда
(применения воздушной полости, экранирующей щели и т.п.). В
этом случае модельный эксперимент позволяет не только ка-
качественно оценить эффекты, но дает возможность получить
некоторые количественные характеристики, которые можно рас-
распространить на натурные взрывы.
Помимо изучения связанного взрыва заряда плотностью
1500 кг/м3 проводился анализ гранулометрического состава
при взрыве заряда той же массы, расположенного в воздушной
полости радиусом 1,5 радиуса заряда (эффективная плотность
заряжания составляет 440 кг/м3) и взрыва насыпного заряда
плотностью 400 кг/м3.
Следует отметить, что средний размер отдельности, полу-
полученной в результате просеивания всего объема разрушенного
веществу, практически совпал для всех трех случаев, что объ-
объясняется преимущественным вкладом области, близкой к грани-
границе зоны разрушения, где средний размер отдельности не
чувствителен к условиям взрывания заряда.
Значения <х>, полученные в результате обработки гран-
составов,' локализованных на различных расстояниях от взрыва,
приведены на рис. 3.18. В качестве параметра подобия выбран
радиус зрны разрушения. Опыты показали, что для взрывов за-
заряда массой 4 • 10 кг и плотностью заряжания 1500, 400 (свя-
(связанные ^зрывы) и 440 кг/м3 (взрыв в полости) величина R+ со-
составляет соответственно 0,1, 0,06 и 0,075 м. Из рис. 3.18
видно, что все значения <х> (м) с точностью до 20% группи-
группируются вокруг единой зависимости, которая представлена в
виде
C.11)
78
рис 3.18. Зависимость среднего
мера отдельности от расстояния
взрыве зарядов:
j - рг - 400
Di - 1500 кг/м3 (связанный); 3 -
- 440 кг/м3 (в воздушной полости)
раз-
разпри
арядов:
- 400 кг/м3 (связанный); 2 -
Pi -
0,4
0,02
0,01
о-2
-3
0,2
0,4
Отсюда следует, что на границе зоны разрушения г = 2?ф вне
зависимости от условий взрывания заряда величина
принимает одно и то же значение ~ 5*10.
Описание результатов всех трех взрывов единой зависимо-
зависимостью C.11) не означает, что изменение условий взрывания не
сказывается на гранулометрическом составе разрушенной среды.
Действительно, поскольку уменьшение плотности заряжания при-
приводит к уменьшению радиуса зоны разрушения (см. рис. 1.31),
на одинаковых абсолютных расстояниях от взрыва менее плотное
б б
р
заряжание обеспечивает больший размер отдельности. Это хоро-
хорошо видно из данных, приведенных в табл. 3.3. Уменьшение
эффективной плотности заряжания существенно сужает зону
переизмельчения материала среды при взрывном разрушении.
Вопрос о поведении среды и, в частности, гранулометриче-
гранулометрическом составе разрушенного материала при взрыве в воздушной
полости достаточно сложен. Тем более интересно выявить осо-
особенности разрушении среды при взрыве зарядов с воздушными
промежутками.
Таблица 3.3
Средний размер отд
при взрывах разной
.ноет в
[ОТНОСТИ
с расстоя
Плотность заряжания, кг/м^
0,05
0,03
0,04
0,02
1500 (связанный)
400 (связанный)
440 (в полости)
0,019
0,45
0,03
0,04
ОД
0,08
0,07
0,2
0,15
0,11
0,28
0,25
tn In (mo/m+)
2
0
2
;
Рис 3.19. Гранулометрический состав кани-
канифоли, разрушенной взрывом заряда ВВ в
полостях:
1 - € - 1,25; 2 - С - 2
2
o-2
0
' 2 1пх,мм
1,0
1,5
Рис. 3.20. Параметр
дробления среды при
душной полости
равномерности
взрыве в воз*
На рис. 3.19 приведен гранулометрический сост
канифоли при взрыве заряда массой 4-10'4 к
разрушен-
разрушенмассой 4-10'4 кг плотност
ассо
радиусом 1,/л/Со и
^
ной канифоли при р
1500 кг/м3 в воздушных
рис. 3.19 видно, что, несмотря на
ских составов, полученные распределения заметно
дисперсией (значением параметра л). ?олее подрой
показывает, что в промежутке 1 < ? < 2 параметр Pfвномерно-а
сти дробления л ведет себя не монотонно (рис. 3.20). Данные
рис 3.20 свидетельствуют о положительном эффекте, вносимом
воздушным промежутком: применение небольшого по объ ?^
межутка приводит к более равномерному дроблению среды^
причем оптимальной является полость с относительным разме-1
ром ? * 1,25.
На первый взгляд изменив параметра п не
ко анализ указывает на заметное изменена
80
рис. 3.21. Доля "избыточной" по-
0ерхности, образовавшейся вследст-
вие неравномерности дробления при
взрыве в воздушной полости
об
ей поверхности отдельностей (свободная поверхность,
разованная при разрушении) даже при малом увеличении пара-
параметра п.
Общая поверхность всех отдельностей в объеме V определя-
определяется выражением
S
V
XQ
Г 1 -
Оптимальное дробление осуществляется в том случае, когда
материал среды разрушается, на куски одинакового размера
При этом поверхность отдельностей в объеме
Ф V(<x>)K
Относительная доля "избыточной" поверхности, образова-
образовавшейся в результате неравномерности дробления материала сре-
среды составляет
LS
S-S,
Г 1 -
1 -
- 1
В
на
ве иллюстрации на рис. 3.21 г
рассчитанная по результатам приведенного ранее
гранулометрического анализа при взрывах в полостях различ-
различного относительного размера ?. Приведенные на рис. 3.21
данные убедительно свидетельствуют о заметном приросте эф-
эффективности взрыва при использовании воздушных промежутков
по сравнению со взрывом связанного заряда.
3.5. О ВЛИЯНИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ХАРАКТЕР
РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ ВЗРЫВОМ
При камуфлетном взрыве на значительной глубине параметры
Механического действия будут зависеть от естественного на-
напряженного состояния массива. Наиболее очевидной причиной
81
- О
Пульт
5
Л
управления _Тур
'Z///////A
V/f/////// '/////////
г
'//////////////AY/////////
3
Компрессор
Рис 3.22. Схема проведения опытов:
7 - заряд ВВ; 2 - плексиглас; 3 -
подрыва; 5 - реле задержки времени;
метр
камера высокого давления; 4
6 - импульсная подсветка; 7
Ml
увеличения напряженного состояния является горное давле!
величина которого в вертикальном направлении Р, - pgh. |
пределение горного давления в других направлениях зав!
от коэффициента бокового распора и определяется йостояг
и свойствами породы. ¦
Горное давление может быть сравнимо с прочностными d
ствами пород, и расчет механического действия взрыва в та
условиях представляет сложную задачу. Поэтому несомнея
интерес представляют хотя бы данные о напряжениях ежа
при которых меняется эффективность механического дейе1
взрыва и, в частности, трещинообразование породы. С этой
лью было проведено экспериментальное исследование камуф
ного взрыва в блоке плексигласа в условиях гидростатичес
сжатия.
Постановка экспериментов* Исследования проводили на
тановке высокого давления, схема которой показана
рис. 3.22. Основным элементом установки была стальная
цилиндрической формы с толщиной стенки 5 см, внутрен
диаметром 22 см и длиной 1,5 м. Давление в камере со
валось при помощи воздушного компрессора. По торцам ка>
располагались смотровые окна диаметром 12 см для провед<
киносъемки.
Исследуемый блок плексигласа с расположенным в це
82
сферическим зарядом ВВ помещался в камеру высокого давле-
Няя. Подрыв заряда и момент включения импульсной подсветки
синхронизированы импульсом из пульта управления камерой
фоторегистратора СФР-2М. Эксперименты были проведены в ус-
условиях гидростатического сжатия под давлением 50 МПа.
Результаты опытов. Наиболее интересным и существенным ре-
результатом взрыва было полное отсутствие каких-либо видимых
разрушений внутри блока. Очевидно, что в данных условиях
растягивающие напряжения в волне оказались компенсированы
внешним давлением. Отметим, что гидростатическое сжатие со-
соответствовало пределу упругости плексигласа и было меньше
предела текучести, так что материал оставался твердым и не
переходил в квазижидкое состояние. Наряду с отсутствием цен-
центральной зоны разрушения не возникло также и откольных раз-
разрушений, типичных для ограниченного в размерах блока. Отсут-
Отсутствие откола в условиях данного эксперимента может быть так-
также связано с изменением условий отражения волны от свободной
поверхности. Действительно, при давлении 50 МПа плотность
воздушной среды всего лишь вдвое ниже плотности плексигла-
плексигласа, тогда как в обычных условиях плотность воздуха в 103 раз
меньше плотности плексигласа,
В связи с отсутствием видимых разрушений образца в тече-
течение всего времени регистрации A0~3 с) можно было наблюдать
за развитием котловой полости. Максимальный радиус полости
г = 1,85* 1,9г. отмечен через 8-10 мкс после взрыва. Затем
ffl О
было зарегистрировано возвратное движение стенки полости, и
через 20-25 мкс радиус полости уменьшился до гп
¦ 1,5-5-1,бгз и в дальнейшем практически не изменялся. Однако
величина конечного радиуса полости, измеренная в образце
после опыта, оказалась гк ¦» 1,3г3, т.е. такой же, как при
взрыве без сжатия. Извлеченный из установки образец раз-
развалился по плоскости склея на две половины, и видимых раз-
разрушений в материале не обнаружено.
Пространственно-временная картина развития взрыва в бло-
блоке плексигласа, сжатого внешним давлением, приведена на
рис. 3.23. В пределах точности измерений различия в ско-
скорости, распространения фронта волны при взрыве в сжатом об-
образце и в обычных условях не выявлено (кривая У). Степень
расширения котловой полости в образце, сжатом давлением
50 МПа (кривая 2), оказалась меньше, чем в несжатом (кривая
2 Измерения показали, что максимальный объем полости в
сжатом образце уменьшился на 17%. На основе этого ре-
результата на рис. 3.24, а представлена зависимость макси-
максимального объема полости в плексигласе от гидростатического
сжатия, которую в первом приближении можно представить как:
v
?- = 1 - 0 77
= 1 - 0 77
т *
83
Ра=ЮОкПа
Cpt/t*
Рис 3.23. Диаграмма
сжатии
вития взрыва в плексигласе при гидролог
t
7
8
К
2
1Л
Рис 3.24. Влияние горного давления на размеры полости (а) и зон;
новатости (б, в)
V и V - максимальный объем полости соответственно в
сжатом и несжатом образцах; сг# - предел прочности на сжатие,
у плексигласа (г# - 120 МПа и в условиях опыта pgh/<r^ -0,42.
Из последней зависимости следует, что при увеличении внеш-
внешнего давления работа камуфлетного взрыва уменьшается, а
остаточная энергия продуктов взрыва в полости растет.
Распространение фронта разрушения при взрыве в блоке
плексигласа при атмосферном давлении показано на рис, 3.23
кривой 3. В образце, сжатом внешним давлением 50 МПа, разру-
разрушение материала отсутствовало. Чтобы дополнить картину тре-
щинообразования при других уровнях сжатия, на рис. 3.23 при-
приведены годографы фронта разрушения при нагружении образцов
плексигласа различными давлениями по данным А.Г. Черни-
Черникова A967 г.). Видно, что при увеличении внешнего сжатия
размер центральной зоны разрушения и скорость ее развития
становились меньше. На рис. 3.24, б представлена зависимость
радиуса зоны разрушения от горного давления, отнесенного к
прочности материала на растяжение, поскольку разрушение при
взрыве в плексигласе имело вид радиальных трещин отрыва, во-
возникавших под действием азимутальных растягивающих напряже-
напряжений. Эта зависимость соответствует эмпирической формуле
Я™ _ 2,7
Гз (pgh/<r H'18
Р
C.12)
Из физических соображений целесообразно представить зави-
зависимость радиуса зоны разрушения от суммы горного давления и
прочности материала на разрыв. Сумма противодействующих
разрушению сил отнесена к среднему качальному давлению в
зарядной камере Р« « 104 МПа. На графике выделяются два
участка с различной степенью зависимости. В области рас-
расстояний г > 4г3 эта зависимость достаточно сильная:
-4
<г + pgh
Гз
C.13)
В области расстояний г < 4п зависимость становится слабее:
(Г + pgh
ъ
C.14)
Различная степень зависимости размера зоны радиальной
трещиноватости от суммы прочности на растяжение и горного
Давления соответствует отмеченным ранее двум стадиям разви-
развития трещин вокруг котловой псы
85
трещин в области г < 4гз под действием растягивающих нап]
жений в волне сжатия и распространению отдельных радиальд
трещин в обласщ г > 4гз под действием в основном квазис!
тического давления из котловой полости. Участок сильной %
висимости C.13) показывает, что для изменения дальнос
распространения отдельных радиальных трещин в области г
> 4гз достаточно сравнительно небольшой добавки к прочное
за счет горного давления. Участок слабой зависимости C.1
означает, что требуется значительное внешнее сжатие (pgh
~ (г ), чтобы подавить появление радиальных трещин-зародыш)
в области г < 4гз. 'i
Таким образом, из экспериментов с гидростатическим сжат.
ем следует практический вывод о том, что даже при относ
тельно небольшой величине горного давления, не превышающ
прочностных характеристик твердой среды, может существен
измениться характер разрушения пород взрывом. Поэтому в J
ловиях залегания пород на большой глубине, где массив
сторонне сжат горным давлением, разрушающее действие взры
может уменьшаться вплоть до исчезновения зоны разрушение
материала, как это наблюдалось на примере плексигласа. Еа
ственно, что результаты опытов с образцами плексигласа ci
цифичны и имеют качественный характер. При взрывах в pea;
ных горных породах с иными физико-механическими свойства!
количественное влияние горного давления на механическое де
ствие взрыва и размеры зон разрушения будет другим.
3.6. ВЗРЫВ В УПЛОТНЯЮЩЕЙСЯ СРЕДЕ
Процесс уплотнения является основным механизмом образ
вания котловой полости при взрыве в пористых грунтах (с
глинки, лесс и т.п.). Уплотнение зависит главным образом
плотности грунта и соотношения жидкости и газа в поров
пространстве. Ниже на примере песчаного грунта показано к
различная степень пористости и влажности изменяют упругие
прочностные характеристики среды и влияют на механичеЫ
действие взрыва. ¦
Постановка экспериментов. В условиях комуфлетного взры
произведены измерения линейных размеров и объема котлов
полости в зависимости от плотности и влажности грунта. е
этой целью песчаный грунт размещали в стальной бомбе куб!
ческой формы. Длина ребер бомбы составляла 30 см, толщи;
стенок 2 см. Стенки бомбы стягивали болтами, что исключа
выход продуктов взрыва в атмосферу.
Бомбу вместе с грунтом располагали на весах и таким обр
зом фиксировали среднюю плотность грунта. Контрольные Я
мерения показали, что колебания плотности внутри массива :
превышали 3% среднего значения. Источником взрыва служи
сферические заряды из прессованного тэна плотностью р э!
= 1,4 г/см3 и массой т = 0,2-5-0,8 г. Подрыв разрядов про*
86
взрыва не на-
наводили в центре массива или около стенки под стальной пли-
плитой. Остаточных деформаций стенок бомбы от
блюдалось.
После проведения подрыва бомбу развинчивали, образец раз-
разрезали и производили измерения размеров полости. Для измере-
измерения объема полость заполняли расплавом парафина или пласти-
пластилина, и объем застывшего отпечатка определяли погружением в
воду* Опыты с зарядами различной массы при фиксированных
свойствах грунта показали, что объем полости был пропорцио-
пропорционален массе заряда, т.е. (размеры полости) соответствовали
принципу энергетического подобия. Следовательно, размеры
бомбы были достаточными и не препятствовали развитию польсти
до максимального размера.
Основные свойства грунта. Песчаный грунт не содержал
глинистых частиц и имел однородный состав частиц от 0,2 до>
0,5 мм, причем 80% частиц имели размер 0,28-0.35 мм. Плот-*
ность сухого песка в опытах изменялась в диапазоне 1,4 < у <
< 1,7 г/см3, увлажненного 1,2 < у < 1,9 г/см3. Песок увлаж-
увлажняли глицерином, у которого уу « 1,26 г/см3. Весовая влаж-
влажность грунта, равная отношению массы увлажнителя к массе
твердых частиц, составляла ь> * 0,02, 0,1 и 0,2. Применение
глицерина в качестве увлажнителя позволяло длительное время
э грунта постоянной. Как известно, порис-
пористость грунта равна отношению объема пор к общему объему
грунта:
т - 1 ¦=¦
у
где у - плотность грунта как трехкомпонентной среды (смесь
песка, увлажнителя и воздуха), у„ ~ 2,65 г/см3 - плотность
скелета. Свободная пористость равна отношению объема воздуха
к общему объему смеси:
У (У„+«У
1 - -
В сухом состоянии w * 0, т - т и выражение для
m - 1 -
В опытах диапазон изменения пористости составил 0,34 <
< т < 0,62 и свободной пористости 0,15 < т'< 0,54.
Были определены основные прочностные характеристики пес-
песчаного грунта, использованного в опытах. На рис. 3. 25 при-
приведены зависимости сцепления с и коэффициента внутреннего
трения КТ от плотности грунта в сухом состоянии и при фик-
фиксированных значениях влажности. Сцепление растет при уве-
увеличении объемной плотности и в особенности влажности грунта
87
* кг/см3
у, г/ см 3
г
Рис 3.25. Завис
плотности грунта
ния и хоэфф
0,025
0,05 I
Рис. ЗЛ6. Кривые
песчаного грунта при
ичной влажности
>го сжатий
1630 кг/м*
в
; г/см3
Рис. 3. 27. Завис
(пунггер) грунта
'росте продольных волн от плотности
ажн
(например, от 10 Па при о> «= 0 до 105 Па при w « 0,2). ^
фициент внутреннего трения слабо зависит от объемной
плотности и влажности грунта.
Были получены также данные по статическому сжатию образ-
образцов песчаного грунта в цилиндрическом пуансоне диаметром
2 см и длиной 8 см. Дренаж отсутствовал. На рис. 3.26 по-
показаны типичные зависимости напряжения сжатия сг от отно-
относительной объемной деформации р. Видно, что объемная де-
деформация грунта необратима. Увеличение влажности при прочих
равных условиях приводило' к увеличению необратимой дефор-
деформации, хотя свободная пористость грунта при этом уменьшалась
(при w.~ 0 т*« 0,38, при ы - 0,2 т'« 0,27). Таким образом,
присутствие увлажнителя и увеличение его содержания улуч-
улучшало условия статического сжатия грунта.
Для характеристики динамической сжимаемости грунта была
измерена скорость оаспоостоанения упругих продольных волн
в зависимости от объемной плотности и влажности грунта
<рис. 3.27). Измерения проведены на ультразвуковой установ-
установке КУБ-1 при частоте 60 кГц. При увеличении плотности ско-
продольных волн росла. Для сухого песка эта зависи-
зависимость линейна:
с
Р
линейна:
540G - 1), при 1,4 < у < 1,7 г/см3.
_L
Нн
Увеличение влажности грунта при фиксированной плотности
вызывало снижение скорости продольных волн за исключением
грунта низкой плотности при малой влажности (в глицерине
скорость звука 1930 м/с).
Результаты экспериментов. Котловая полость в песчаном
грунте не имела правильной сферической формы и ее поверх-
поверхность была изрыта трещинами конической формы. Глубина тре-
трещин и степень их раскрытия зависели от плотности и влажнос-
влажности грунта. По результатам измерений объема полости Vn по-
получена зависимость показателя прострела (mVt) П - Vjq от
плотности грунта для ряда фиксированных значений влажности
(рис. 3.28). Разброс опытных данных составил 10-15% во
влажном и 15-20% в сухом песке. При увеличении объемной
плотности грунта показатель прострела сильно уменьшается и
соответствует формуле:
П - Bv~n при 1,2 < у < 1,9 г/см3.
Значения эмпирических коэффициентов В и п приведены ниже для
Различных значений влажности.
*
О 0,02 0,1 0,2
1,2-103 6,8-103 104 1,4-104
6,6 8,5 8,8 8,9
Рис 3.28,
стрела от
показателя
ютности песчаного грунт;
ажности о)
X
О
A
-ш-0
-0,02
-0,f
-0.2
Рис 3.29. Зависимость показ!
прострела от сжимаемости песча*
грунта
Отметим, что при увеличении плотности от 1,4 до 17 г
показатель прострела в сухом песке уменьшился в 4-5 'раз^
кном в 7-8 раз. При увеличении влажности от 0 до 201
>виях фиксированной плотности показа
;я в 3-5 раз.
Из обработки результатов измерений показателя прост!
следует, что объем полости камуфлетнсго взрыва в угшотн
щеися среде определяется главным образом динамической «
маемостью. Это иллюстрирует рис. 3.29, на котором преде
лена зависимость показателя прострела от модуля
7 1'л4°1?пен »ого к с№№шу давлению в зарядной камере
- 11Г Mlla. Все экспериментальные данные (за исключение
90
t г/см3
0,3' 3
ш
Рис. 3.30. Зависимость
сжимаемости (в) грунта
ты взрыва от плотности (а), влажности (б) и
Рис. 3.31. Зависимость
тельного радиуса полости с/г
относи-
tOTHOCTH
Л 2, 5, 4 - соответственно при влаж-
влажности W - 0; 0,02; ОД; 0,2 '
хого песка
зависимости
зависимость
низкой плотности)
в области низких
сильная:
расположились вокруг единой
плотностей У < 1,0*1,7 т/см3
П = 1,63-10-4<Гс7Р )~3 при ус* IP < 1,2-10-2.
D Н I и Н
A.17)
При плотности
новится слабее:
Г > 1,6*1,7 г/см3 эта зависимость ста-
П = 1,08(ус2/Р )"' при 7с2/Р > 1,2-10-1
р н р н
91
По peзyльfaтaм измерения объема котловой полости опрев
лена работа камуфлетного взрыва:
А
Vn
S P(V)dvy
- объев
где Ун - ооьем зарядной камеры, Vn - объем полости. Для и
тегрирования использована изэнтропа расширения продух*
взрыва при рэ - 1,4 г/см3. Результаты, расчетов пока
что при увеличении плотности грунта работа взрыва уме;
шается и в условиях данных эксперментов изменяется в д
пазоне 0,97^ < А < 0,85? (рис. 3.30, а). При фиксирован
грунта работа взрыва растет с увеличением вла|
[ости «яеи сильнее, чем выше плотность (рис. 3.30, б). 3
, боты взрыва от сжимаемости грунта показана i
рис, 3.30, в и соответствует эмпирической формуле
да
Alq ш 0,65 - 0,13 lg -
Исключение составляет сухой песок при у < 1,55 г/см3", 41
возможно объяснить утечкой га:
зных продуктов взрыва
поровое пространство на стадии расширения котловой полости/
Из-за глубоких трещин на поверхности котловой полости и*
мерить ее радиус оказалось затруднительно. Поэтому ради
полости был вычислен по объему гп - CVn/4nI/f. Ъ
рис. 3.31 показана зависимость радиуса полости от плотно
ти грунта. В условиях данного эксперимента A,2 < у
< 1,9 г/см3 и 0 < ц < 0,2) относительный радиус полосе
составил гп/д1/г - 2*8 м/т1/3 (или /•„ - 3,6*14,4г3). Щ
тересно, что формировалась такая структура радиально!
растрескивания полости, при которой раскрытие отдельна
трещины в основании примерно равно глубине трещины. О раз
мерах трещин на поверхности полости дает представлен!
график, на котором приведена зависимость отношения радиус
полости совместно с глубиной трещины гт к вычисленному pal
диусу полости гп от полости грунта (рис. 3.32). Указа
разброс измерений от трещины к трещине. Наибольший разме
трещины имели в сухом песке. Относительная глубина трещин
разброс по их размерам росли с увеличением плотности грунт*
Эта закономерность нарушалась при увеличении плотности те!
раньше, чем больше влажность грунта. При увеличении влаж
ности одновременно со снижением плотности размер трещи:
уменьшился. ¦ На рис. 3.33 сплошными линиями показан вычнс
ленный радиус полости гп, пунктиром - радиус полости со»
местно с глубиной трещины гт. При взрывах в песчаном грунт
при у < 1,3 г/см3 и и > 0,1 полость имела достаточно гладку«
поверхность и размер трещин был соизмерим с размером зере1
(эта область на рис. 3.33 отмечена штрихпунктиром). Такие
92
U f, г/см-
Рис. 3.32. 3
lt 2, 3, 4 -
ость размера трещин от плотности
тственно при @-0; 0,02; 0,1; 0,2
Рис. 3.33. Зависимость радиуса
полости от влажности песчаного
грунта:
1, 2, 5, 4 , Л - соответственно при
У = 1,2; 1,3; 1,4; 1,6; 1,8 г/см3
О
0J
¦ 0,2
со
образом, плотность и влажность грунта оказывают сильное
влияние не только на конечные размеры полости, но и на ве-
величину радикальных трещин, полностью исключая их появление
в определенных условиях.
Явление растрескивания контура полости при взрыве в мяг-
мягких грунтах также отмечалось в ряде экспериментальных работ
(Л.В. Альтшулер, 1970 г., Исаков, 1976 г.). При рарчете поля
напряжений от взрыва в вязкопластичной среде (Э.А. Кошелев,
1975 г.) также уже на стадии расширения полости отмечено
возникновение растягивающих напряжений, порождающих систему
радикальных трещин. Однако, как показал данный эксперимент,
93
развиваются из этой системы лишь отдельные трещины. Из
четов тдкже следует, что при увеличении масштаба взрыва
диального растрескивания контура полости не должно прои
дить, потому что в процессе ее расширения грунт находите*
(
состоянии всестороннего сжатия и поле растягивающих напрял
ний возникает позже.
3.7. ВЗРЫВ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА
ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ
В практике проведения взрывных работ широко применя
камерные заряды удлиненной формы, а также штольневые
скважинные заряды с различным соотношением длины и диамет)
При удлинении заряда изменяется симметрия развития взры
что может оказать вляние на передачку энергии окружающ
среде. Поэтому следовало выяснить: изменится ли объем |
лости при изменении геометрии заряда, при каком соотношей
длины и диаметра заряда завершится переход от условий це!
ральной симметрии к осевой; какое влияние при этом окаЗ
вают физико-механические свойства пород.
Эти вопросы были решены экспериментально путем измерен
показателя прострела в плексигласе, плотном тиосульфате на
рия, песчаном грунте и пластилине. Указанный набор материа7
обеспечил проведение исследований в условиях хрупкого раз
шения, объемного уплотнения и пластического деформирован
окружающей твердой среды. '
Постановка экспериментов. Опыты с песчаным грунтом, ш
стилином и тиосульфатом натрия проводили в стальной бом
кубической формы. В опытах с плексигласом размеры блок
составляли 12х 15x20 см3. Песчаный грунт имел плотной
у - 1,85 г/см3, влажность w « 0,1 (увлажнение проводи
глицерином), свободную пористость т'« 0,18 и скорость у
ругих продольных волн с — 360 м/с. Среда из пластилЩ
имела плотность у « 0,82 г/см3, с » 1000 м/с, v =
р
Затвердевший после плавления тиосульфат натр]
(Na2S2O3 • 5Н2О) имел у - 1,7 г/см3, <г# - 20 МПа, ср - 43
м/с, v « 0,28. У плексигласа р - 1,18 г/см3, сгф - 120 Ml"
с - 2800 м/с, v ш 0,35.
В качестве источника взрыва использовали заряды цилин
рической формы из прессованного (р э = 1,4 г/см3) и насы
ного (рз ш 1 г/см3) тэна диаметром d - 3*6 мм и длин
/ - 3*150 мм. Масса зарядов составила т » 0,2-5-4 г, пж
ность заряжания д. = 0,2*0,3 г/см, отношение длины к да
метру, называемое калибром заряда, варьировалось в предел
1 < lid < 50. Инициирование зарядов осуществлялось п
94
рис 3.34. Изменение
" * и 1п/2гп
25 и 2,9; 6 - 44 и 4,5
II II
мы котловой
[ости
гастил
при удлинении
- 1; 2 - 2 и 1,07; 3 - 4 и 1,15; 4 - И и 1,8;
Рис 3.35. Зависимость радиуса котловой полости
лн: 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульф;
помощи азида свинца. Приведенная длина
из тэна связана с калибром:
Иф[г - 0,95//? при Рз - 1,4 г/см3,
м
зарядов
llqf - 1,13//? при
1 г/см3.
После проведения взрыва образец разрезали и провели из-
измерения радиуса, длины и объема полости. Объем полости в
пластилине определяли по объему заливаемой воды. В песчаном
грунте и тиосульфате натрия полость заполняли гипсом или
расплавленным пластилином, и объем слепка измеряли погруже-
погружением в воду. Ошибка измерений объема полости в зависимости
от типа среды составляла 2-5%, линейных размеров 1-8%.
Форма котловой полости. В пластилине и тиосульфате стен-
стенки полости гладкие, и ее торцевая часть имеет форму полу-
95
сферы. В песчаном грунте стенки полости рассечены в осе]
направлении клинообразными трещинами глубиной рколо 0,2гп
торцевые части похожи на усеченный конус. Изменение
¦:• I
котловой полости в пластилине при удлинении заряда показ;
на рис. 3.34. Калибр заряда изменялся в диапазоне 1 < И
< 44, отношение длины полости к диаметру при э^ом состав:
1 < U2rtt < 4,5. Цилиндрический участок полости сфор:
ровался при отношении lid > 4. Однако радиус "полости и
должал расти и достиг предельной величины, соответству
цилиндрической симметрии взрыва, при отношении lid > 16.
Линейные размеры полости. Для исследованных -ртов твер*
среды были получены зависимости радиуса (рис. 3.35) и дли;
полости (рис. 3.36) от длины цилиндрического заряда. В ш
стилине, песчаном грунте и тиосульфате при постепенном изк
нении симметрии взрыва от центральной к осевой происход
ло увеличение радиуса полости. В плексигласе радиус поло0
уменьшился. Одновременно с удлинением заряда росла длина г
лости. Причем на начальной стадии удлинения д]шна полос
росла быстрее, чем длина заряда. Во всех средах существу]
такая характерная длина заряда / = /*, различна^ для разщ
¦ j
типов среды (вертикальный пунктир на рис. 3.35 и 3.36), i
чиная с которой радиус полости становится постоянным, a
длина прямо пропорциональна длине заряда. Линейные разме
полости при Z ^ /ф (м3/2/т1/2) соответствуют эмпиричеси
зависимостям:
в пластилине Та/дх/г - 5,8; ijqf - 11 + //«j/2;
в песчаном
фунте rjqf - 2,7; ijqf - 3,6 + /7*1/2;
в тиосуль-
фате rjqf- 1,75; ijqf - 1,6
в плекси-
гласе rn/q1/2 - 0,59; UtB - 0,3 +
Соотношение между линейными размерами заряда и полосп
(рис. 3.37) оказалось очень чувствительным к физико-мехагвд
ческим свойствам твердой среды. В прочной среде соотношени;
между длиной и диаметров заряда и полости практически сО
храняется. В среде с малой прочностью рост отношения длин;
полости к диаметру при увеличении калибра зар^а замедли
ется. При взрыве в пластине лишь при lid - 13 дурна полост
вдвое превысила ее диаметр. Из простых геометрических coot;
ношений получим связь между калибром заряда ?а - lid и пр
лости кп » 1п/2г„:
рис 3.36. Зависимость длины котловс
ряда:
- пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 -
ЕОСТИ
ют; 4 - плексиглас
Рис 3.37. Соотношение приве-
приведенной длины и диаметра котло-
котловой полости в зависимости от
калибра цилиндрического заряда:
I - пластилин; 2 - песчаный
грунт; 3 - тиосульфат; 4 -
плексиглас
5
3
1
= 1 +
р3 - плотность заряда ВВ; Пц - показатель прострела в
условях осевой симметрии (при />/*). Соответствие полу-
полученной зависимости опытным данным улучшается при увеличении
калибра заряда (пунктир на рис. 3,37).
Показатель прострела. Результаты измерений показателя
прострела в зависимости от приведенной длины и калибра за-
Р*Да представлены на рис. 3.38. При lid ~ 1 показатель про-
97
1
I J
1
2 3
10
2 3 5 Ш W2
:азател:
[рострела от приведенной длины
Рис 3.38. Записи*
либра заряда:
1 - пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас
стрела соответствует сферической симметрии взрыва (П -1
При удлинении заряда во всех типах твердой среды заре!
грела, которое соо*
рировано уменьшение показателя
ствует формуле:
т.ОД
1 ' " « Пс М—I при
п = п
d
И
Из
к следует, что на начальной
закон уменьшения показателя прострела опреде)
ся только геометрическими размерами заряда и не завися
свойств среды. При увеличении длины заряда свыше характе
величины I ^ U показатель прострела становится постояй
что соответствует завершению перехода от центральной
метрии взрыва к осевой. По измерениям показателя прос*
характерная длина заряда (м3/2/т1/2) в опытах составила:
98
в пласти-
пластилине
12),
в ТИОСУЛЬ
фате
2,5 U. - 2,6).
Согласно написанным соотношениям характерная длина заряда
примерно на 10-30% больше, чем по измерениям линейных разме-
полости, что объясняется влиянием концевых эффектов на
ги полости. Из обработки данных на рис. 3.38 установлено,
что для любой твердой среды характерная длина цилиндри-
цилиндрического заряда / » /* связана с показателем прострела П « ГЦ
эмпирической формулой:
Уях1г - 2,3 ТВ* или IJd - 2,4 YPC\
где [1+] - м, Щ ш т/м, Пс = м7т.
Связь между показателями прострела взрывов осевой Пц и
сферической Пс симметрии соответствует соотношению:
Пс - 0,76Ш*9, при / ^ Z*.
v
Выразим радиус полости взрыва цилиндрического заряда лю-
любого калибра через показатель прострела Пс и другие пара-
параметры взрыва:
0-1
0,49П?<45 \-jL-] при/ Ь U.
Распределение энергии взрыва. По результатам измерений
показателя прострела определена работа взрыва при централь-
центральной и осевой симметрии (табл. 3.4).
\ взрыва существенно зависит от физико-механических
свойств среды и растет с увеличением показателя прострела
(так, в пластилине по сравнению с плексигласом показатель
прострела в 200 раз больше, и работа взрыва возросла прак-
практически на порядок). Оказалось также, что при переходе от
^ей
?рй симметрии к осевой при прочих равных условях
Работа взрыва уменьшается. Следовательно, увеличивается ос-
99
. ю! г- з $ ш юг
Рис. 3.39. Изменение остаточной энергии в полости при удлинении заряду
1 - пластилин; 2 - песчаный фунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас
•¦(I
таточная энергия газов в полости Е ш q - А, которая оп
деляет в основном эффективность выброса грунта при об
зовании воронки. Отношение остаточной энергии в подо
цилиндрического, Еп и сферического Ес взрывов приведен!
последнем столбце табл. 3.4 и на рис. 3.39 в виде заве
мости этого отношения от удлинения заряда. Остаточ;
энергия в полости цилиндрического взрыва больше, чем в -
ловиях сферической симметрии; и величина отношения Е*
зависит от свойств среды, увеличиваясь с ростом показа*!
прострела как
* 1,16 + 0,04 lgnc при /
Таким образом, изменение симметрии камуфлетного взр)
от центральной к осевой при прочих равных условиях веде
уменьшению показателя прострела и работы взрыва над а&
Таблица 3.4
Параметры взрыва с центральной и осевой симметрией
у:
"t.
Среда
Плексиглас
Тиосульфат
Песок
Пластилин
гп/гг
1.3
1.25
3
3.6
4.2
5.5
12,5
П, mVt
1,4
1.1
17,5
10,4
47
27.5
280
157
Alq
0,45
0.36
0,82
0.78
0,87
0.84
0,94
0.92
Ец/В
1,17 i
¦. ¦
l ,21 :
/У
1.23"
I.
lf26
Примечание. В числителе - при центральной симметрии, в
менателе - осевой.
I
100
средой
оэток
унты
разрушить скальные породы и
«ергетически выгоднее сосред
энные работы
рплот-
гдл:
дать пор*
яыми зарядами, а
ненными зарядами. Соотношение длины и диаметра заряда, при
рых происходит переход от условий центральной симметрии
к осевой, зависит от физико-механических свойств среды и
растет при увеличении показателя
4. ВЛИЯНИЕ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА
НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДЫ
4.1. СТРУКТУРНЫЕ И ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
НАРУШЕННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ
Среди большого количества вопросов, подлежащих выяснению
при рассмотрении взрывного воздействия на породный массив,
наиболее важным представляется вопрос об оценке нарушен-
нарушенное™ горной породы в зоне действия взрыва. Остановимся
кратко на некоторых особенностях строения нарушенных мас-
массивов горных пород.
Любой массив горных пород (в том числе "нетронутый")
представляет собой блочную, инженерно-геологическую струк-
структуру, характеризующуюся по крайней мере двумя параметрами:
густотой трещин А и средним рас-
раскрытием трещины <е>. С точки зрения инженерной
геологии трещина - это пространство между стенками блоков
горной породы, которые слагают массив.
Под трещиноватостью массива горных пород обычно пони-
понимается совокупность трещин в массиве. Причем, поскольку
трещиноватость горных пород является неотъемлемой частью
природных массивов и, более того, может в какой-то степени
характеризовать механическое воздействие на массив, она
должна рассматриваться применительно к конкретным особен-
особенностям строения данного участка массива и истории проис-
происхождения.
Совокупность трещин в породном массиве подразделяется
на системы трещин, под которыми понимаются группы примерно
параллельных трещин. Пересечение систем трещин между собой
ведет к разбиению массива на естественные отдельности,
причем среднее расстояние между трещинами определяет сред-
средний размер отдельности.
Имеется несколько способов определения удельной
трещиноватое™ массива горных пород. Планиметри-
101
ческие измерения заключаются в определи
количества трещин, пересекающих выделенное направление ?
участке определенной длины, либо, если непосредствен^
измерения затруднены, подсчетом числа трещин путем вк
ального наблюдения массива через шаблон, на экране кото|
нанесена масштабная сетка.
Фотопланиметрический метод;
ключается в предварительном фотографировании объекта исс
дований и последующей обработке фотоотпечатков. %
Основная трудность при использовании перечисленных j
тодов измерений состоит в необходимости разделения видвд|
трещин на естественные и наведенные в результате локальг
(проходка выработки) и региональных (подземных взры»
механических воздействий. Имеющиеся на этот счет рекома
дации не уменьшают вероятности ошибки. f
Акустический метод определения отн<*
тельной трещиноватости горной породы заключается в
ставлении скоростей продольных волн в массиве и отдельное
Отношение квадратов скоростей распространения продолы
волн в массиве и образце составляет акустический показат
трещиноватости. Трещиноватые массивы сравниваются меа
собой по значению акустического показателя. ;
Помимо методов определения густоты трещин в массиве Щ
ются также методы определения среднего раскрытия трещин
одни из которых заключаются в непосредственном измерен
параметра <?>, другие - в определении относительной хар
теристики на основе измерения фильтрационных способное
породы - способности пропускать через себя рабочее X
(газ или жидкость).
Исследование геометрии . поверхности отдельностей как
тественного, так и искусственного происхрождения, напри*
в результате взрыва показало, что рельеф поверхности •,
растеризуется волнистостью и шерохов^
т о с т ь ю, причем на изменчивость раскрытия трбщинк
волнистость профиля влияет меньше, чем шероховатость,
как средняя линия трещины повторяет конфигурацию волниа
ти профиля [52]. Исследование большого количества руд
пород различных месторождений показало, что с хорошим ц
ближением средняя шероховатость поверхностей изломов и
дельностей заключена в интервале D*6) • ЮЛс, причем
клонение поверхности от средней линии подчиняется зак*
нормального распределения [52].
С точки зрения нарушенное™ массива горных пород трещ$
представляет собой некоторую полость со стенками, кото]
соприкасаются в отдельных точках (контактах). Трещиноватс
массива, порождаемая пересечением, как правило, несколь-
систем трещин, приводит к тому, что в массиве горных пс|
образуется совокупность связанных между собой пустот,
личие которых совместно с пористостью материала самой пор)
102
определяет пористость (пустотность) горного массива в целом.
Пористость массива характеризуется коэффициентом
„ористости m « VT/V, где Vr - объем всех пустот
в данном объеме массива V. Отметим, что величиной т можно
характеризовать любую среду вне зависимости от того, каким
превалирующим способом набраны пустоты: трещинами или по-
порами. В этом смысле твердую среду с сильно развитой трещи*
новатостыо можно рассматривать как пористую, в которой роль
отдельных структурных "зерен" играют блоки твердой среды, а
роль пор - трещины. Однако следует иметь в виду, что тре-
трещиноватые породы всегда обладают проницаемостью благодаря
наличию гидравлической связи между трещинами, В пористых же
породах проницаемость не всегда растет с увеличением по-
пористости: существует так называемая закрытая по-
пористость, которой обладают такие породы, как туфы и
известняки, характеризующиеся малой проницаемостью.
Под фильтрацией, как уже указывалось, пони-
понимается способность жидкости или газа двигаться через твердую
среду» имеющую сообщающиеся между собой пустоты. Впервые
вопрос о движении жидкости через пористую среду был рас-
рассмотрен в середине XIX в. Тогда же экспериментально была
установлена связь между потерей напора ДА при движении
жидкости в пористой среде и скоростью фильтрации (расход
жидкости через единичную площадку в единицу времени) уф в
виде [70]
D.1)
ще 1ф - коэффициент фильтрации, характеризующий среду на
участке ДД» при использовании в качестве рабочего тела
вполне определенной жидкости.
Закон D.1) представляет собой линейную связь между ско-
скоростью фильтрации и гидравлическим уклоном. В связи с его
широким применением для решения обширного класса задач,
касающихся движения самых разных жидкостей и газов, закон
D.1) стали позднее формулировать в более общем виде
м grad Р,
D.2)
у - динамическая вязкость рабочего тела; Р - давление
рабочего тела; к\ - коэффициент проницаемости среды, не
зависящий от свойств фильтрующегося рабочего тела.
Дальнейший анализ движения рабочего тела в порах породы
показал, что суммарный градиент давления рабочего тела
(гидродинамическое сот
i из потерь от
ных сил и от сил тоег
grad Р - - -?- ^ - -?— vj sgnvj, D.3)
К\ Кг
\
103
где р - плотность рабочего тела, кг - второй коэфф
проницаемости с размерностью метр. Иногда коэффицие:
называют параметром турбулентности проницаемой среды [7|
В настоящее время считается, что формулировка
фильтрации в виде D.3) наилучшим образом описывает дви;
жидкости и газа через проницаемую среду.
Первая попытка связать параметры, характеризующие
ницаемость среды, с ее структурными характеристиками
сделана Ч.Слйхтером, рассмотревшим фильтрацию жидкости
фиктивный грунт, представленный совокупностью шарооб
частиц. По Слихтеру коэффициент проницаемости ki свя:
диаметром шаров dc пористостью т и просветом среды Кс
которой характеристикой площади сечения порового ка
следующим образом
•i
Позднее помимо фиктивного грунта были рассмотрены и
гие модели реального горного массива, среди которых аи
выделить три основных.
Капиллярная модель представляет проницаемую среду в
пучка параллельных капилляров постоянного диаметра а*,
такой среды выполняется
h » тгЛ^/128, D
ще N* - плотность расположения капилляров в сеч
перпендикулярном потоку рабочего тела.
Модель параллельного типа представляет трещина
среду в виде массива, расчлененного на непроницаемые
тремя взаимно перпендикулярными системами плоскопар
ных трещин одинакового раскрытия <е>. Для такой среды S
полняется условие
ь т<е>
12 * 4
D
где Л - удельная трещиноватость. {
Модель серийного типа определяет течение рабочего т
в пористой среде, представленной с помощью капиллярной '
дели, таким образом, что все поровое пространство npoxofl
ся каждой частицей жидкости или газа. Для такой cpj
справедлива связь [70] ;':
*i -
где Гк - фактор извилистости проницаемых каналов в среде. I
Следует отметить, что наиболее приемлемой для описа
реальных сред типа трещиноватых горных пород является
дел ь параллельного типа, неоднократно применявшаяся
описании параметров движения рабочего тела в реалы
массивах.
Отметим также, что фильтрационные характеристики гор]
104
массивов сами по себе могут характеризовать нарушенность
горной породы, поскольку любое механическое нарушение мас-
массива ведет к увеличению просвета имеющихся, либо к появлению
новых трещин, что и в том и другом случае увеличивает по-
пористость массива. Тогда согласно любой из приведенных за-
зависимостей D.5)-D.7) более нарушенной среде должен соот-
соответствовать больший коэффициент проницаемости.
4.2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
ПОРОДНОГО МАССИВА, РАЗРУШЕННОГО
КРУПНОМАСШТАБНЫМ ВЗРЫВОМ
Для установления фильтрационных свойств грунтов и горных
пород разработано достаточно большое количество способов и
устройств, позволяющих производить измерения на основе са-
самых разных физических методов. Однако ни одна из имеющихся в
распоряжении геофизиков и гидрогеологов методик не позволяет
проводить дифференцированные по пространству измерения с
помощью глубоких скважин малого диаметра и достоверно оце-
оценивать второй коэффициент проницаемости к2 - весьма важную,
как будет показано ниже, характеристику фильтрационных спо-
способностей разрушенного взрывом горного массива. По этой
причине для целей настоящей работы была разработана спе-
специальная методика и устройство для осуществления измерений
непосредственно в массиве.
Использование в разработанной методике воздуха в качест-
качестве рабочего тела исключает возможность механического и хи-
химического взаимодействия реагента с горной породой, в связи
с чем отпадает необходимость в дополнительных исследовани-
исследованиях влияния взаимодействия рабочего тела с горной породой на
процесс фильтрации (образование пристеночного слоя связанной
жидкости препятствует достоверному определению проница-
проницаемости, как характеристики собственно горной породы). Помимо
этого применение воздуха позволяет проводить измерения с
малыми материальными и трудовыми затратами, и делает ме-
методику удобной для применения в условиях горнодобывающего
производства.
Метод измерений заключается в следующем. В пробуренную
из горной выработки либо со стороны обнажения породного
массива скважину помещается устройство, обеспечивающее на-
надежное перекрытие заданного ее участка. В изолированный
(рабочий) участок необсаженной скважины нагнетается воздух
при некотором давлении Р\. После установления стационарного
режима фильтрации, заключающегося в постоянстве расхода
воздуха в единицу времени G, замеряется величина G. Изме-
Измерения проводятся при нескольких значениях LP «• Р\ - Ро, где
?
Л - атмосферное давление.
Для контроля качества перекрытия одновременно с этим
105
5 S
*ЭяЯ11 д 9
W
ff
У/
* * ' '
n
X
Рис. 4.1. Схема герметизатора
2
1
м i, i
Рис. 4.2. Нерезьбовое сочленение
ключа:
1 - шпилька; 2 - кольцевая пружина
проводится измерение давления в приустьевом участке скв
жины, для чего последняя герметизируется в устье. \
Анализом получаемых расходометрических зависимое!
G{LF) определяются оба коэффициента проницаемости тр©
ватого массива к\ и fe. ;
Методика реализуется следующим образом. В подготовлен!!)
для измерений скважину помещается герметизирующее устрой^
во (два, если изолируется не данный участок). Конструкт
устройства представлена на рис. 4.1. Основным элемент
герметизатора является резьбовое соединение, сЗостоящее *
неподвижной 3 и подвижнойй 8 частей и приводимое в действ
со стороны устья скважины с помощью специального ключа .
либо трубопровода 11. Ключ имеет на рабочем конце выточ
под шпильку 9 подвижной части 8 и собирается из двухмег|
вых металлических штанг диаметром 20 мм. Специальное |
резьбовое сочленение штанг (рис. 4.2) обеспечивает наде
ность соединений как при закручивании, так и при раск|
чивании резьбового элемента герметизатора. *
При закручивании резьбового соединения его неподвижв
часть, как и весь герметизатор в целом, удерживается
проворачивания с помощью шайб 2 и 7 (см. рис. 4.1), вы)
занных из вакуумной резины толщиной 6-8 мм (диаметром 1
сколько превышающем диаметр скважины) и помещенных /
увеличения жесткости между зажимными металлически
шайбами. j
Пространство между резиновыми шайбами заполнено мик?
пористой резиной 4, см. рис. 4.1 (набор колец толщю
10-20 мм). Сжатие пористой резины с помощью резьбовз
106
рис- 4.3. Сочленение трубопровода:
. зажимная шайба; 2 - резиновая про-
прокладка
соединения приводит к ее растиранию. Тем самым Достигается
герметизирующий эффект устройства. После выпсшнения необ-
необходимых измерений резьбовое соединение раскручивается и
герметизатор освобождается. „o,tu«nm
Для предотвращения полного раскручивания резьбового
соединения в подвижной его части предусмотрена стопорная
шайба 5, упирающаяся в выступ 6 в канале неподвижной части
3 Протяженность рабочей части герметизатора должна со-
составлять не менее 3-4 диаметров скважины.
Трубопровод И (см. рис. 4.1) выполняется либо из толс-
толстостенной полиэтиленовой трубы и тогда его конструкция не
требует каких-либо пояснений, либо из отрезков дюралевых
труб, сочленение которых производится с учетом герметизации
и жесткости крепления (рис. 4.3).
При необходимости снятия фильтрационных характеристик
массива горных пород вдоль скважины (такая необходимость
может возникнуть при работе в
либо при работе в массиве с большим
юсти) применяются, как уже указывалось, два герметиза-
Г ^ ¦»¦ Ш^ ^^ »~ ™- ^^ ^™-----— —. -^ —г -_т ч .j у -
тора, соединенные между собой с помощью насадки 1 (см.
рфорированной дюралевой трубой, и ограничивающие
рабочий объем скважины с двух сторон. В этом случае резь-
резьбовое соединение герметизатора более удаленного от устья
скважины, приводится в действие с помощью ключа, в то время
как резьбовое соединение другого - трубопроводом. Конст-
Конструктивно дополнительный герметизатор (он располагается бли-
ближе к устью скважины) отличается тем, что в нем отсутствует
шпилька резьбового соединения 9 (см. рис. 4.1), а его со-
сочленение с трубопроводом выполняется в виде, представленном
на рис. 4.3.
При работе в неглубоких шпурах, как показывает опыт,
можно применять герметизатор упрощенной конструкции: без
резьбового соединения (рис. 4,4). В этом случае пористая
резина 2 сжимается предварительно с помощью подвижной шайбы
3 до необходимого радиального распора.
Схема измерений приведена на рис. 4.5. Измерения прово-
проводятся в следующей последовательности. После герметизации
рабочего участка и устья скважины из воздушной магистрали
через вентиль, расширительную емкость и расходомер в рабо-
107
.7
У
Рис 4.4. Герметизатор шпуровой:
1,4- резиновые шайбы; 2 - проб:
шайба
из микропористой резины; 3
J
Рис. 4.5. Схема измерений:
1 - рабочий объем скважины; 2 - герметизатор; 3 -
устьевая пробка; Л, 6 - манометры; 7 - расход оме;
емкость: 9 - оегулиоовочный вентиль
i; 4 - п
чий объем нагнетается воздух. Давление воздуха на. вых
расходомера (у устья скважины) Рг замеряется эталонным t
нометром 5. :
tZ-образный манометр б, подсоединенный к штуцеру пробк
регистрирует возможный подъем давления в стволе скважины
большинстве случаев измерения показывают отсутствие п&
пада давления по обе стороны пробки. Незначительное по
шение давления в стволе скважины ( ~ 102Па) при работ*
сильно размушенной среде (по величине много меньшее Pi, ^
же при достаточно продолжительном наддуве рабочего объе
объясняется естественной в этом случае фильтрацией возд
через массив.
Подача воздуха и регулировка его расхода, необходим
для поддержания в рабочем объеме скважины выбранного Л
ления Pi, осуществляются вентилем.
Объемный расход воздуха G измеряется с помощью газо!
108
расходомеров РГ-40 и РГ-100, параметры которых обеспечивают
перекрытие рабочего диапазона газового потока.
Объемный расход воздуха G существенно зависит от протя-
я рабочего объема скважины L. Выбор величины /р
степенью нарушенности исследуемого у1
_ водимо, чтобы протяженность рабочего объема не
менее, чем в 5-10 раз превышала размер отдельности породы
(в том случае, если проницаемость по трещинам заметно пре-
превышает проницаемость собственно горной породы). Установить
минимально необходимое значение /Р можно путем проведения
последовательных измерений при увеличивающихся значениях I.
Значение Zp, начиная с которого величина вычисляемых пара?
метров к\ и кг будет оставаться неизменной при дальнейшем
увеличении /Р, и следует принять в качестве допустимого.
Результаты применения описываемой методики в течение про-
продолжительного времени показывают, что при работе в ес-
зенно нарушенных породных массивах протяженность ра-
го объема должна составлять не менее 3-6 м. При работе
ных крупным взрывом, можно снизить /р до
Это позволяет (в случае необходимости) использовать
мерений неглубокие шпуры.
обработки данных давление в штольне
контролируется с помощью барометра-анероида.
экспериментального материала проводится на
основе двучленного уравнения фильтрации D.3). Для полу-
получения расчетной зависимости для определения искомых пара-
параметров проницаемости горного массива к% и кг по расходо-
метрическим кривым рассмотрим течение рабочего тела в эл-
эллипсоидальных координатах, заменяя для упрощения вычислений
рму рабочего объема скважины вытянлп
эллипсоидом вращения с фокусным расстоянием, р т.
Интегрируя уравнение фильтрации D.3) в предположении изо-
термичности процесса растекания рабочего тела в прс
[ространстве разрушенной среды, получаем зависимость до
х коэффициентов fc и кг в i
л/
(In).
P\G n2 (pki it4 llP0k2 а П 2aa
Как следует из последней зависимости, для определения
искомых величин *i и к% необходимо привлекать давление в
рабочем объеме скважины Л. В связи с тем, что
измерение величины Рг связано с многоч
трудностями чисто технического характера, при проведе*
измерений достаточно определять давление воздуха у устья
скважины Р2. В этом случае необходимое для расчетов значе-
значение рх легко определяется с использованием связи между Р\ и
рг в виде [60]
109
Л - Рг -
где Ф »
L
2
парам)
- ct
воздуха в
(Re) - коэффициент сопротивления (Re -
Рейнольдса), d - диаметр подводящего трубопровода,
стояние от устья скважины до рабочего объема, р и
ветственно плотность и скорость течения
проводе, причем
и * 4G/(ntf).
Величина Ф выбирается в соответствии с зависимостью^
(Re), приведенной в работе [60].
4.3. ИЗМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
ПОРОДНОГО МАССИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА
г
Разрушение массива горных пород вблизи
точника приводит к значительному увеличении
среды. Интерес к изучению фильтрационных свойств
шейного взрывом массива определяется помимо целей rear
нологии возможностью широкого применения мощных
взрывов при разработке нефтяных и газовых местор __
также реализации современных технологий добычи геотерма]
ной энергии и полезных ископаемых. В этом смысле
параметром подземного взрыва является размер зоны повыше:
я среды при взрыве Rc> Результаты исследова]
подземных ядерных взрывов приведены в табл.
откуда видно, что подземный взрыв позволяет получать
статочно большие объемы породы с повышенной проницаем
Из приведенной таблицы видно, что радиус области по
шения проницаемости при взрыве составляет в среднем окол*
хамуфлетной полости Rx. С большей точностью рад
зоны повышенной проницаемости при взрыве можно выра:
[62]:
м,
Таблица 4.1
Радиус зоны повышения проницаемости горного массива
при некоторых подземных ядерных взрывах
Эксперимент
Горная порода
Эквивалентная
мощность
взрыва, кт
RCt м
RJh
Хардхэт
Хэндкар
Шоул
Пай л драйвер
Гранит
Доломит
Гранит
-—**—
5
12
12
60
145
128
182
310
7,6
6V2
6,9
7,1
110
рис 4,6. Изменение объемного расхода
воздуха с ростом перепада давления в ра-
рабочем объеме скважины протяженностью 1 м
й
участках массива разной нарушенности:
1 - к\ - 1,851 м, кг - 2,1 м (L - 6 м);
2 - к\ - 1,151 м, кг - 1,4.1 м (/р - 6 м);
3 - *i - 2,851 м; к2 - 10 м (/р - 1 м)
1
10
40
Рис. 4.7. Зависимость удельного расхода
воздуха в скважине диаметром ОД 05 м от
расстояния до взрыва:
1 - йр - 100 гПа; 2 - Лр - 30 гПа
100 г? м
где q - эквивалентная мощность взрыва, кт; Вс - 11 5
силикатных пород с плотностью B,5 + 2,7) 103 кг/м3; В^4
? Дл* Д°ломитов и известняков (плотность породы' око!
кг/м*). При этом следует отметить, что радиус зоны if
вышенной проницаемости соответствует радиусу зоны разгё
шения. Так радиус зоны наведенной в результате взрыва т
щиноватости составляет по различным данным величину от
- до 10 R&.
В настоящей работе проводились исследования фильтрат
онных свойств горного массива, разрушенного подземны]
взрывом эквивалентной мощностью 2 кт [89]. ¦
Взрыв заряда проводился в массиве, сложенном прочным
скальными породами. Основные характеристики массива и ел,
гающих его пород до взрыва: плотность породы 3090
прочность на сжатие около 100 МПа, скорость звука 5600 м/<
влажность 0,7%, пустотность массива 0,12-0,2%, средняя сю$
рость распространения возмущений в массиве 4500 м/с.
ное строение массива в месте проведения взрыва определяв
отдельность средним размером около 3 м. .,
, Исследование фильтрационных свойств массива проводило*
с помощью скважин диаметром 5,6-10"^ и 0,105 м, а тавд
шпуров диаметром 4,2-10 т*. В качестве иллюстрации i
рис. 4.6 представлен характер изменения расхода воздуха G"
скважинах диаметром 0,105 м в зависимости от перепада да]
ления ДР. Измерения проводились на. участках массива, х
рактеризующихся разной нарушенностью (в тексте под рисунке
нарушенность конкретных участков представлена величине
параметров проницаемости к\ и кг)*
Из приведенных зависимостей видно, что можно выделить дц
области по степени изменения G от ДР: при малых перепада
давления (ДР < 3 кПа) зависимость G(&P) близка к лине!
ной (G « ДР0*88), при увеличении перепада давления
указанная зависимость характеризуется меньшей степень1
(G ~ ДР0-55 при ДР > 3 кПа). Одним из возможных объяснена
наблюдаемого эффекта является предположение о пр$имущес
венной турбулизации потока рабочего тела (в данном
воздуха) в конкретно рассматриваемом трещинном пространств
при достижении перепада давления ДР « ДРФ « 3 кПа. О
ченная особенность расходометрических кривых дает возмоя
ность исследовать характер течения газа в трещиноватой срс
де при разных режимах и позволяет получать сведения
структуре самой среды (густота трещин и их раскрытие).
Исследование рабочих объемов, расположенных на различны
расстояниях от места взрыва г, позволяет установить харак
тер зависимости объемного расхода .рабочего тела на единиц
длины рабочего объема G от расстояния г для разных перепа
дов давления ДР (рис. 4.7). При ДР »¦ 3 кПа указанная за
висимость представима в виде
112
40
,¦10%
10 -
1.0
0,1
0,01
10
20
40
то
Рис 4.8. Зависимость первого коэф-
коэффициента проницаемости породного
массива в зоне разрушения подзем-
подземного взрыва от приведенного рас-
расстояния:
1 - взрыв эквивалентной мощностью
2 кт; 2, 3 - соответственно экс-
эксперименты "Хардхэт" и "Хоггар"
Рис. 4.9. Зависимость второго
коэффициента проницаемости пород-
породного массива в зоне разрушения
подземного взрыва эквивалентной
мощностью 2 кт от приведенного
расстояния
D.8)
где г - расстояние, м.
В целях проверки стабильности фильтрационных характе-
характеристик исследуемого массива со временем измерения повторя-
повторялись через 0,5 и 1,5 г. Данные, полученные при повторных
измерениях с хорошей точностью совпали с первоначальными.
Результаты исследования горной породы в окрестности ядер-
ядерного взрыва "Хардхэт" (США) показали, что в течение года
проницаемость массива оставалась на одном уровне.
Полученные в результате обработки экспериментальных
данных (с помощью двучленной зависимости D.3)) значения
коэффициентов к\ и кг представлены на рис. 4.8 и 4.9 соот-
соответственно в зависимости от приведенного расстояния
'. Аналитически полученные зависимости к\ (г) и кг (г)
представимы в виде B5 м < г < 100 м)
; кг
D.9)
г - расстояние, м.
Начальная проницаемость исследуемого массива характери-
характеризуется следующими значениями параметров
из
- A,75 г 3,7) Ю-13 м2,
кг - A,1 г 2,3) 10" м.
На рис. 4.8 приведены для сравнения результаты изм
ний, проведенных при подземных ядерных взрывах в мал<
ристых гранитах ("Хардхэт" [75] и "Хоггар" [80]). В
званных экспериментах начальная проницаемость массива
растеризуется величиной параметра fa, равной 4* 10'17;
("Хардхэт") и 2,7- 10"и м2 ("Хоггар"). Параметр кг - вел
важная, как отмечалось, характеристика проницаемого пр
ранства в экспериментах "Хардхэт" и "Хаггар" не определял
Приведенные на рис. 4.8 и 4.9 данные указывают на
чительное повышение проницаемости породного массива в
зультате взрывного воздействия, по мере удаления от *
взрыва проницаемость нарушенной среды падает, что С0
ветствует уменьшению интенсивности производимого взр|
разрушения с расстоянием. "
Соотношение между значениями измеренных в массиве в
метров кг и кг представляет особый интерес* Трещиной
массив, характеризующийся относительно большим проев
проницаемых каналов, существенно отличается от пористых
по значению параметра кг (при равных значениях пара»
к\). Это хорошо видно из рис. 4.10, на котором представ
совместно экспериментальные результаты настоящей рг
(трещиноватый горный массив) и данные, заимствованны!
работы [1] (фильтрация в пористых материалах регуля
структуры). Наблюдаемое отличие в зависимостях кг
реального породного массива и пористых сред
большим вкладом турбулентной составляющей потока (в$
член в правой части уравнения D.3)) в общее гидравлич
сопротивление при течении рабочего тела в трещинах по ь
нению с фильтрацией в пористых средах. Это может прс
К2,М
Ю'5
}>°п° О
и
«я ^VA5<
•• Рис. 4.10. Эмпирическая зависимость
коэффициентами проницаем
To -» о 1 - пористые среды; 2 - трещи
ш ш *"м массив горных
114
4.2
Вклад <%) турбулентной составляющей движения в общее
гидравлическое сопротивление в зависимости от перепада
давления на фильтре скважины
Коэффициент прони-
проницаемости массива,
Ю-12 м2
Перепад давления А/*, кПа
5
10
20
30
8,3 30 42 55 62
5,6 54 66 15 80
2,2 38 49 62 68
дить вследствие сильного различия параметров Рейнольдса Re:
течение рабочего тела при одинаковых физических скоростях
движения частиц осуществляется по каналам различной ширины
и структуры.
Таким образом видно, что второй коэффициент проница-
проницаемости кг является важным параметром фильтрующей среды: при
одинаковых значениях коэффициента проницаемости к\ параметр
кг может явиться единственной характеристикой раскрытия
проницаемых каналов.
Отмеченная особенность фильтрации в трещиноватом массиве
приводит к существенному вкладу второго члена правой части
уравнения D.3) в общее гидравлическое сопротивление. Ниже
приведен вклад (%) второго (турбулентного) члена уравнения
D.3) в общее гидравлическое сопротивление <рс для участков
массива с различной проницаемостью (перепад давления LP
составляет 10 кПа).
Вклад (%) турбулентной составляющей движения в общее гидравлическое со-
сопротивление на участках массива различной нарушенности
*Ь 10
м
44 42 66 49
27 8,3 5,6 2,2
С увеличением перепада давления в рабочем объеме скважи-
скважины вклад турбулентной составляющей потока рабочего тела в
общее гидравлическое сопротивление возрастает. Это видно из
табл. 4.2, в которой приведены значения <рс для некоторых
участков массива в зависимости от АЛ
Можно сделать вывод о том, что при рассмотрении фильт-
фильтрационных способностей реального массива горных пород при-
применительно к проницаемости газообразного рабочего тела
необходимо характеризовать массив двумя параметрами ki и кг.
4.4. ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
¦
Исследование горной породы в месте проведения к]
масштабного взрыва показывает, что микроструктура, а
довательно, и механические характеристики породы изм
в значительных объемах породного массива. Так в резу
петрографических исследований [91 ] установлено раек
микротрещин на расстояниях до четырех радиусов пол
взрыва, что составляет около 40 дф(д - эквивалентная
ность взрыва, кт). Примерно в этой же области наблюд
изменение проницаемости породы [82]. Аналогичные резуль
получены при исследовании горной породы в ближней зоне
мических взрывов. В работе [45] отмечается наруше
минеральной структуры и возникновение микротрещинова
диорите при взрывном стимулировании технологических ск
В целях получения более подробных данных о наруше
горной породы в зоне необратимого деформирования е
настоящей работе исследовались образцы горной породы,
бранные в массиве на разных расстояниях от места пров
подземного взрыва. Исследования показали, что горная m
да, расположенная в ближней зоне подземного взрыва
расстояниях до 30-40 д1^ м/кт1/3), характеризуется
шенной микротрещиноватостью, которая отчетливо просмаЦ
вается на шлифах. Линейная плотность микротрещин на
стоянии г/ди 3- 25 м/кт1/3 составляет в среднем ок
70 1/м. Выявить количественное изменение микротрещиноватр
с расстоянием до взрыва не удалось. Однако установлено,
на расстояниях г1фГъ > 40 м/кт1/3 наведенная взрывом Ц
ротрещиноватость отсутствувет. \
Результаты фильтрационных испытаний приведены
рис. 4.11 и 4Л 2. Представленные данные демонстрируют
метное изменение проницаемости собственно горной п
вследствие крупномасштабного взрывного воздействия. При1
по мере удаления от места взрыва проницаемость горной пор*
падает и только с расстояний 60 qxf% м/кт1/3 ее филь^
ционные характеристики совпадают с первоначальными.
Следует отметить, что соотношение между параметрами к
кг горной породы соответствует результатам исследова!
проницаемости пористых сред регулярной структуры, что
свою очередь указывает на преимущественно ламинарный рея
фильтрации в поровом и микротрещинном пространствах гор!
породы. :
Сравнение фильтрационных параметров массива и слагаю
его пород в зоне разрушения подземного взрыва показ
что проницаемость массива на несколько порядков прев
проницаемость собственно горной породы. Это позволяет
учитывать фильтрацию рабочего тела через породы при оцен1
нарушенности массива на основе результатов его фильтра]
ряс 4.11.
цяента пр
расстояния
мощностью
первого коэфф]
1ницаемости горной породы i
до места взрыва эквиваленте
2 кт
20
10
2
О о
20
40
,М/кТ*
20
10
4
2
1,0
4.12.
* ( *
lecra
коэффициента
рной породы от расстояния до
[валентной мощностью 2 кт
20
40
100
онных испытаний. Несмотря на сказанное, изменение пр
цаемости породы в результате взрыва имеет немаловал
значение с точки зрения скорости проникновения рабочего*?
ла в глубь куска при выщелачивании. При этом измене
проницаемости следует рассматривать как значительную .
личину.
4,5. ОЦЕНКА НАРУШЕННОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
В целях установления структурных характеристик наруп
ной среды воспользуемся простейшей моделью трещинова
тела -моделью' параллельного т и
а именно: будем считать, что реальный массив горных
(как нарушенный взрывом, так и находящийся в своем ectf
венном состоянии) состоит из непроницаемых блоков по
разделенных системами плоских трещин. Отдельную трещ!
расположенную в массиве горных пород и частично перекрыв
вследствие соприкосновения естественных неровностей, сл<|
ет характеризовать двумя параметрами: средним раскрыт
<е> и коэффициентом перекрытия S. '
Рассмотрим случай, когда среда характеризуется о
коэффициентом фильтрации к\. На практике такой с;
встречается часто, поскольку количество измерений, связа
с оценкой фильтрационных способностей нарушенных масей
проводится на основе жидкостных методов исследования, к
достоверно определяется только параметр I
Течение жидкости в отдельно взятой трещине постоян:
раскрытия <е> описывается известной зависимостью, cbj
вающей расход жидкости на единицу протяженности трещин
градиентом давления:
Предполагая проницаемое пространство состоящим из т
систем трещин, а закон изменения раскрытия трещины i
промежутке между контактами в виде линейной зависим^
в интервале @, сф), где сф - максимальное раскрытие i
щины, получаем из последней зависимости выражение для ]
хода жидкости на единицу длины трещины в виде ¦
¦ ц.
Учитывая, что течение рабочего тела осуществляется
двум системам пересекающихся трещин (при оценке порист
необходимо учитывать все три системы), получаем с ист
118
зованием D.10) выражение для скорости фильтрации жид-
жидкости
2471
D.11)
где А - удельная трещиноватость горного массива.
Сравнивая между собой зависимости D.2) и D.11), по
дучаем
D.12)
i 24Jfci/(l - S)eJ.
Максимальное раскрытие трещины е* выразим через порис
хость массива
D.13)
т « -|- a -
Из последних двух выражений получаем
Таким образом неизвестные параметры А и е*
D.14)
через характеристики массива, поддающиеся измерению; к\ и т.
Зависимости D.12) и D.14) позволяют оценивать струк-
структурные параметры массива Л и <е> в том случае, когда массив
характеризуется трещинами одинакового раскрытия. Если рас-
раскрытие присутствующих в породном массиве трещин не может
характеризоваться одним числом, следует рассматривать со-
совокупность различно раскрытых трещин. Будем характеризовать
совокупность таких трещин функцией распределения ф(е*
устанавливающей долю трещин, раскрытие которых заключено в
интервале (е#, с+ + dc+):
d\ * Ay(e*)de#
Парциальная проницаемость массива по трещинам с макси-
максимальным раскрытием е* согласно D.10) представима в виде
отсюда
D.15)
ец и с2 - соответственно минимальное и максимальное
значения е#.
Согласно D.13) величина еф пропорциональна размеру при-
прилегающей к трещине отдельности (средний размер отдельности
119
Л'1), Это позволяет в качестве ^>(е*) выбрать фу
аналогичную функции распределения отдельностей по ра
В частности, можно воспользоваться распределением Роз
Раммлера. В этом случае плотность распределения предст
в виде
D.
где е0 и п - параметры распределения, причем п > 1
и - 0.
В случае Си - 0 и с% -»• ю зависимость D.15) легко
тегрируется с учетом D.16). В результате получаем
кх - A - S)\el Г A + 3/п)/24,
ще Г A + 3/я)- гамма-функция
Входящий в выражение D.17) параметр рр
выразим через среднее значение максимального раскрытия $
щины на интересующем участке массива <е>, воспользовавщ
связью [107]
ф> - €0ГA + 1
'г
Подставляя е0, выраженное через <еф> в D.17), получ
окончательно
¦:
A-5) <<е#» 3ГA+з/п)
При оценках нарушенности массива в качестве <е*> моя
выбрать шероховатость стенки трещины (поверхности отде
ности), которая по данным работы [183] не сильно отличав
для пород различных месторождений и принимает в сред*
значение, равное 5-lOAi.
Рассмотрим пример определения структурных характерна
породного массива, разрушенного крупномасштабным взрьп
эквивалентной мощностью 2 кт. Для участка массива cw«l
и к\ » 1,9*101м2 в предположении 5*0 (площадь конт
тов стремится к нулю) получаем согласно формулам D.
и D.14)
А = 26 1/м, е* - 2,6 1
Исследование этого участка дает Л 30 1/м, еф - 3 е 10"J
(рис. 4.13).
Простую зависимость, вполне пригодную для оценок сред!
характеристик в среде по данным фильтрационных испытан:
можно получить на основе теории гидравлического ради
Козени, согласно которой
120
рис 4-*3. Зависимость удельной трещино-
породного массива, разрушенного
ы от приведенного расстояния:
- оценки по расходометрии; 2 - по фор-
формуле E.18); 3 - результат планиметриро-
планиметрирования
k
где S - удельная площадь поверхности всех отдельностей в
единице объема нарушенной среды; ? - константа; т - порис-
пористость, причем т * 0,5 S <е>.
Предполагая распределение отдельностей по размеру в виде
Розина - Раммлера, получаем
отсюда
Г
Г
Записывая
константу ^i, характеризующую среду, через
проницаемость и удельную трещиноватость нетронутого массива
Ао, получаем окончательно
D.18)
Написанная формула дает вполне приемлемые значения ве-
величины X с расстоянием до взрыва (см. рис. 4.13).
Будем рассматривать далее оценку нарушенное™ породного
массива при подземном взрыве применительно к методике
121
фильтрационных испытаний, использованной в настоящих
следованиях. При оценках будем пользоваться первоначалвд
экспериментальным материалом, а именно: в качестве основ!
параметров выберем перепад давления Д/> и расход рабок
тела G, соответствующий этому перепаду.
Здесь следует отметить, что обработка первоначалы
экспериментального материала, проводимая на основе ypai
ния фильтрации типа D.3) и подобных ему, предполагает
личие достаточно высокой плотности распределения пронв
емых каналов вблизи фильтра скважины, чего, вообще гаЦ
нельзя предполагать при рассмотрении трещиноватой средвд
случае трещиноватой среды коэффициенты проницаемости к\
ъ, входящие в уравнение D.3) следует рассматривать
некоторые общепринятые параметры, характеризующие экви
лентную пористую среду. Йо этой причине при оценках стр
турных параметров нарушенного массива будем в дальней^
пользоваться первоначальными данными в виде так называем
кривой расходометрии G(ДР). I
Применительно к постановке эксперимента по определен
проницаемости породного массива с помощью скважинной ме
дики рассмотрим осесимметричное течение газа в плоской щ<
(щель пересекает ось скважины под прямым углом). Максимащ
упрощая оценки, решаем задачу в предположении несжимаемо!
рабочего тела. ?
Интегрирование уравнения движения несжимаемой вяз!
жидкости в стоксовом приближении (цилиндрические коордш
ты) дает выражение для объемного расхода рабочего тела
зависимости от расстояния до оси скважины п в, виде
2ЯГ1«С»3 |\ 2п * <€> 1 \dP
Предполагая раскрытие трещины <с> малым по сравнении^
радиусом скважины ао(<€> « ао < п), получаем
3
* ~ ТСГ1 «С»3 I dP
откуда
* « Тëѻ3(Я1-Ро
qi ~ 6Д 1п(апр/ло)
D,2
Расстояние п =» алр, на котором давление рабочего г*
сравнивается с атмосферным, достаточно выбрать равным одно
метру (в этом случае избыточное давление в фильтрующее
рабочем теле падает на порядок по сравнению с начальным Р
Из последней зависимости следует, что количество ра
чего тела, вытекающее в единицу времени из скважины pad
линейно с повышением давления Л. При определенном переш
давления ЛР = АР* скорость движения рабочего тела в тре
122
может достичь критического значения, при котором поток в
трещине станет турбулентным. Здесь следует различать усло-
условие турбулентности потока рабочего тела в отдельно рас-
рассматриваемой трещине (турбулентность возникает при дости-
достижении в потоке критического числа Рейнольдса, равного ~ 103)
н условие нарушения линейности фильтрации (граничное ус-
условие применимости линейного закона фильтрации D.2):
R? ю 1 169]). Сравнивать указанные условия между собой
нельзя, так как отклонение от линейного закона фильтрации и
смена режима течения в каналах имеют разную природу: в ка-
каналах - возникновение преимущественной турбулентности по-
потока , при фильтрации - появление потерь, возможных без
турбулизации течения.
Отбрасывая возможность реализации переходных режимов,
будем считать, что в случае АР & АР* поток рабочего тела
турбулизуется одновременно во всей области течения. По ана-
аналогии с каналами круглого сечения будем считать, что коэф-
коэффициент сопротивления для турбулентного потока в щели
слабо меняется с увеличением числа Рейнольдса Re. Тогда
уравнение движения рабочего тела можно записать в виде
drx 2
где Мф - физическая скорость течения рабочего тела в щели на
рассматриваемом расстоянии п.
Интегрирование уравнения D.21) в цилиндрических
динатах дает связь
27г(<е»3/2Дя1/2
D.22)
В результате получена простейшая расчетная модель про-
проницаемой трещиноватой среды, согласно которой при малых пе-
перепадах давления (АР < АРФ) зависимость q*(tP) описывается
•:• i
формулой D.20), а при больших перепадах (АР > ДРФ) -
мулой D.22).
Как уже отмечалось, на экспериментальных зависимостях G
(АР) действительно выделяются две области, отличающиеся друг
от друга степенью изменения величины объемного расхода
воздуха G в зависимости от перепада давления АР. Причем при
< 3 кПа степень изменения близка к единице, а при АР > 3
кПа - к 0,5, что вполне соответствует формулам D.20) и
D.22), предложенной расчетной модели. В качестве значения
> следует в данном случае выбрать величину 3 кПа.
Определим . удельную трещиноватость разрушенного взрывом
массива А и среднее раскрытие трещины <е>, пользуясь
мулами расчетной модели и результатами экспериментального
определения расхода воздуха G в зависимости от ДР.
123
Предполагая, что на фиксированном расстоянии от вз
раскрытие трещины можно характеризовать некоторой ср
величиной <е>, зависящей только от расстояния до взр
получаем с помощью D,20), D.22) и условия
G « A - S)q\\
следующие соотношения:
«е»3Л
6Ш71п
/
(<€>K/2Л
1/2
AP
Наличие двух режимов течения рабочего тела при малых
больших перепадах давления на фильтре скважины позволя
выделить два параметра ДРФ и (?*, характеризующие фильтрат
рабочего тела на участке массива с конкретными структурны!
параметрами Л и <е>. Через G* обозначен объемный расу
рабочего тела при АР «
Полагая в последних двух зависимостях АР = АРФ и разреш
их относительно Л и <е>, получаем в предположении а„р ». Оо?
<с> - 5
,24 [
[I In
2/3
а о
D.2-
А
< 24V A -
In (а„р/ао) '
D.2|
¦;?
Первая из полученных зависимостей показывает, что
постоянстве остальных параметров величина раскрытия треп^
ны <е> определяется значением АРФ. В нашем случае крити^
ский перепад давления примерно одинаков для всех исследуем!
участков массива и составляет 3 кПа. Это позволяет считан
что параметр нарушенности массива <е> не зависит от ра
стояния до взрыва. Конкретное значение <е>, вычисленное
соответствии с параметрами эксперимента, составляв
3,3-10 V
Значения Л (м), рассчитанные по формуле D.24) щ
S * 0,9 и Ф - 0,12 (коэффициент сопротивления при Re * 1(л
с привлечением зависимости D.8),представлены на рис. 4.1
в виде сплошной линии. Аналитически полученная зависимое!
Л (г) представима в виде
А - 5,8-104т-2'5,
где г - расстояние до взрыва в метрах. v ;
Для сравнения на рис. 4.13 приведены значения Л, nanjj
ченные в результате планиметрирования стенки выработки
124
рис. 4.14. Pa
массива в результате взрыва:
i - расчет по E.25); 2 - "Хардхэт"
породного
месте проведения фильтрационных исследований, а также оцен-
оценки по формуле D.18) (пунктир). Из рис. 4ЛЗ видно, что
полученные в результате обработки данных фильтрационных ис-
испытаний значения X вполне удовлетворительно описывают
реальную трещиноватость разрушенного взрывом горного мас-
массива, причем для определения трещиноватости массива доста-
достаточно осуществить привязку контрольных результатов по па-
параметру S на любом легко доступном участке.
Полученные результаты говорят о принципиальной возмож-
возможности использования фильтрационных 'испытаний горного мас-
массива для установления степени нарушенное™ породы в зоне
взрывного разрушения или в любом другом случае структурного
строения нарушенного массива, близкого к изотропному по
своему строению.
1 Результаты оценок структурных параметров среды позволяют
установить конечное разуплотнение породного массива в месте
проведения взрыва - весьма важную характеристику с точки
зрения возможности извлечения раздробленной горной массы.
Для используемой модели проницаемой среды (модель па-
параллельного типа с тремя взаимно перпендикулярными система-
системами трещин) относительное разуплотнение среды связано с па-
параметрами <е> и Я простым соотношением
» - -3
отсюда с привлечением
чения <е> получаем
Др/Ро » -5,4
зависимости X (г) и найденного зна-
D.25)
Ще г - расстояние от взрыва в метрах.
На рис. 4.14 приведена для наглядности графическая ин-
интерпретация зависимости D.25) (кривая /). Там же для срав-
сравнения приведена аналогичная зависимость, полученная по оста-
остаточным перемещениям при ядерном взрыве "Хардхэт" (кривая 2).
125
Из рис. 4.14 видно, что, несмотря на достаточно больп
перемещения среды при взрыве, конечное разуплотнение
велико: общий объем пустот, образовавшихся при взрыве за
да эквивалентной мощностью 2 кт составляет « 104 м3 i
объеме камуфлетной полости около 0,5*1 (Ум3. Более подроби"
анализ дает среднее значение коэффициента разрыхления
- A + Лр/ро)*1 * 1,12.
Малое разуплотнение разрушенной при взрыве породы
привести к значительным трудностям при ее извлечении
массива (условие беспрепятственного выпуска руды из блс
"мулируется следующим образом: крых а 1,18+1,25). В ?Ц
с этим при проведении крупных камуфлетных взрывов дроблея
с целью извлечения рудной массы следует заранее проводе
комплекс мероприятий, обеспечивающих возможность дополя
тельного разуплотнения горной породы в зоне разрушен
(создание) компенсационных объемов и т.п.).
4.6. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
ПРИ ВЗРЫВЕ
Исследование поведения подземных вод при крупномасштя
ных взрывных воздействиях представляет особый интерес
точки зрения промышленного использования крупных взрыве
получения информации о характеристиках проницаемого проб
ранства и их изменении в результате взрыва, а также, ч
особенно важно, с целью изучения и обеспечения гидроге
логической и радиационно-химической безопасности при эм
плуатации подземных сооружений и водозаборов.
Основные механические проявления крупномасштабного пс(
земного взрыва, нарушающие естественно установившуюся ги
родинамику подземных вод, связаны, во-первых, с действи
волны сжатия на водосодержащие коллекторы, а во-вторых,
образованием в среде дополнительных пустот (камуфлета
полость, наведенная трещиноватость, а также пустотное?
обусловленная разуплотнением среды) и деформацией воднв
коллекторов и массива горных пород в целом.
Существенно неоднородное деформирование сложной i
строению реальной геофизической среды не позволяет в дет
лях анализировать поведение подземных вод при взрывщ
воздействиях. Однако основные особенности гидродинамичеаа
процессов, вызываемых подземным взрывом, легко выявляют
при следующей схематизации явления. В сплошной слабопрон!
л
цаемой среде, содержащей субгоризонтальный водонасыщенны
пласт, на некоторой глубине производится взрыв заряда мол
ностью д. Соответствующие взрыву волновые процессы вызывав
деформацию окружающей среды, причем водный коллектор
мируется в большой степени. Последнее связано с бол
126
Рис 4.15. Давление (уровень) грунтовых вод в окрестности эп
взрыва после обрушения камуфлетой полости (стрелками показано д]
вод):
1 - эпицентр взрыва; 2 - земная поверхность; 3 - камуфлетная полость;
4 - столб обрушения; 5, 6 - соответственно граница зоны наведенной тре-
щиноватости и зоны приповерхностного разуплотнения; 7 - направление сто-
стока подземных вод
Рис. 4.16. Схема изменения уровня грун-
грунтовых вод в наблюдательной скважине со
временем:
/ - этап образования "купола"; // - этап
заполнения образованных взрывом пустот;
/// - восстановление первоначального
уровня
высокой пористостью и сжимаемостью водовмещающих nopf
коЗшекторов по сравнению с горной породой (водоупором \
налегающим массивом). Динамическое сжатие коллектора npi
б
водит к повышению давления жидкости в некоторой облает.
Образование куполообразного реального либо эффективней
уровня подземных вод, формально поставленного в соответствн
давлению жидкости Р с использованием приближения Дюттюи
grad (Р) - pg grad (A),
где А - абсолютный уровень грунтовых вод; р - плотное^
жидкости. Это сопровождается инъекцией воды в поровое прс
странство окружающих пород, а также в ранее существовавши
и вновь образованные в результате взрыва трещины. Формирс
вание и последующее обрушение камуфлетной полости и, ка|
следствие - образование столба обрушения и области повь
шрнкога разуплотнения среды вплоть до свободной поверхнос
ти, вызывает центральную депрессию в образовавшемся купол
грунтовых вод (рис. 4.15). Наличие области повышенного дай
ления (купола) грунтовых вод над эпицентром взрыва естест?
венным образом приводит к повышению уровня грунтовых вод .
наблюдательных скважинах. Схематично характер изменен?
уровня грунтовых вод в наблюдательной скважине представл.
на рис. 4.16.
Следующий этап движения подземных вод связан с их сток
в образовавшиеся при взрыве пустоты. Высокая проницаемо
горной породы, расположенной в столбе обрушения (коэффици
проницаемости достигает 10Л«2[75Д приводит к быстрс
снятию избыточного напора грунтовых вод, а затем - его
дению существенно ниже естественного уровня в районе
центра взрыва. Последнее вызывает резкое снижение водоп
тока к областям, расположенным в направлении естествен]
миграции подземных вод, и одновременно - образование д
рессионной, воронки. Следствием этого является резкое с*
жение уровня грунтовых вод в области влияния депрессионн
столба.
Заключительный этап - восстановление первоначальн
уровня подземных вод во всей области течения после зап<
нения образованных при взрыве пустот.
Сделаем некоторые качественные оценки. Величина из
точного напора подземных вод в куполе (давления в слу
низкопроницаемых налегающих слоев) ДА - А - Ао определяем
величиной взрывного воздействия, в качестве которой доп;
тимо выбрать амплитуду волны сжатия - максимальную массов;
скорость v. С учетом эмпирической зависимости уь от
стояния до места проведения взрыва R [35]
Vb « (R/qU3)n
получаем
128
1/3
АЛ • /1
ДА -
D.26)
где г - расстояние от эпицентра взрыва; b - глуби-
глубина залегания водоупора; Ляп- эмпирические константы
(л й 1,7); q - мощность взрыва.
Время установления максимального напора t с момента про-
проведения взрыва на эпицентральном расстоянии г составляет
с - скорость распространения возмущении в среде.
В дальнейшем будем описывать движение грунтовых вод с
помощью линейного уравнения
if- - -~ (grad(P) -
D.27)
где Р, й и v ~ соответственно давление, вязкость и скорость
фильтрации грунтовых вод; к - коэффициент проницаемости
среды; g - ускорение свободного падения.
Объем пустот, образовавшихся при подземном взрыве. Для
¦ установления гидродинамических характеристик на втором эта-
этапе движения подземных вод (этапа заполнения образовавшихся
при взрыве пустот) определим их величину. Общий объем пус-
пустот складывается из объема камуфлетной полости Ко, объема
пустот в зоне наведенной трещиноватости Vi и объема пустот
в столбе обрушения F2. Следует сразу отметить, что пустот-
ность горной породы в столбе обрушения образуется за счет
перемещения части горной массы в полость. Это означает, что
в целом, полагая камуфлетную полость в виде сферы радиуса
допустимо пренебречь объемом Vi. Также допустимо не
пренебречь пустотностью, сформированной в приповерхностной
области в результате разуплотнения среды и откольных явле-
явлений, полагая сферической зону наведенного трещинообразо-
ванкя. Многочисленные экспериментальные данные [36] свиде-
свидетельствуют, что для большинства горных пород
- 10<71/3,
D.28)
где q - эквивалентная мощность взрыва в килотоннах тротила,
и следовательно:
- 4,2-l
Объемную плотность р конкретного участка породного
массива, характеризующегося трещиноватостью Л ^и средним
Раскрытием трещин е, представим в виде
= р
D.29)
Ро - горной породы; а - коэффициент, значение которого
129
определяется количеством систем трещин в массиве и с;
извилистостью индивидуальной трещины (для массива,
сеченного тремя системами слабоизвилистых трещин а
S - среднее значение коэффициента перекрытия трещин]
простейшем случае - отношение размера перекрытия к
протяженности трещины).
Согласно D.29) записываем величину разуплотнения
веденной пористости) массива горных пород в резулы
взрыва
ad-SMeA-e^)
Рт Р\ 1 - а(\ -
где р* - конечная плотность среды; подстрочным индекс
1 обозначены начальные параметры до взрыва (предполага
что а ~ аи S = Si).
В случае первоначально слабонарушенной среды (с
А -* 0)
7) - -а(\ - S)eX.
Т
¦ {¦
v:
'
Согласно результатам экспериментов [59] крупномасшташ
подземный взрыв вызывает изменение структурного состоя)
среды в области радиусом
R+ я 100 q
1/3
D.:
При этом параметр с, характеризующий среднее раскрь
трещин, практически не зависит от расстояния, до мс
взрыва R:
е « const *= 3,3-10 м,
а зависимость A (R) представима в виде A/м)
MR) *
С учетом написанных соотношений получаем
D.С
4
V
где т)о - пустотность среды в естественном состоянии.
Определим общий объем пустот в зоне наведенной взрыщ
трещиноватости
R*
« 4п
Ro
С использованием D.28), D.30) и D.31) получаем
* 8,6
130
рис. 4.17. Схема течения жидкости
водоносном горизонте:
I - водоупор; 2 - столб обрушения
Таким образом, общий объем пустот, образовавшихся в ере
де при взрыве, составляет
К* 4,2-103?A +
). D.32)
Динамика заполнения образованных пустот подземными
водами. Время заполнения наведенной взрывом пустотное™
определяется расходом жидкости Q, поступающей через прони-
проницаемые каналы в столб обрушения. Для оценки величины Q
примем следующую схему течения жидкости (рис. 4.17). Дви-
Движение подземных вод в водовмещающем горизонте мощностью а
и коэффициентом проницаемости ко имеет напорный характер и
осуществляется со скоростью фильтрации и. В момент t ~ О
образуется вертикальный проницаемый канал радиусом Ло, в
который происходит сток части жидкости. С этого момента
течение жидкости имеет нестационарный характер.
Рассматривая течение жидкости в окрестности стока в столб
обрушения, запишем величину потока жидкости Q через цилинд-
цилиндрическую поверхность радиуса г в виде
Q = -2пКг
где К - коэффициент водопроводимости пласта; Л - мощность
водного слоя.
С учетом сохранения массы
dQ
д
2пгт
т
получаем
at
mr
D.33)
Где т - пористость коллектора.
С учетом D.28) перепишем D.33) в виде
131
_
дг г \im дг2
ще к - коэффициент проницаемости водопроводного пл
р
Видно, что правая часть уравнения D.34) неопределет
естности г - 0. Поскольку
lim
0
1
дг -
d2h
д
2
допустимо описывать течение жидкости в водоносном слое в
рестности точки г » 0 вместо D.33) уравнением
dh ш _2Kh_ d2h
dt m дг2
Полагая, что в промежутке времени между образован!
столба обрушения (* - 0) и моментом, соответствующим у«
новлению квазистационарного истечения жидкости из водТ
держащего пласта (t - t2) расход жидкости через цилищ,
ческую поверхность радиса R определяется величиной \
причем граничное условие при г = Ro ъ виде
отсюда
?j const
«rf
При r -*¦ ю : h(tt r) -> Ao, что равносильно Р - Ro.
В качестве начального условия для решения уравне
D.33) примем эффективную поверхность жидкости D.26), у|
новившуюся в момерт взрыва:
0 : HU г) - Ао + ДА(г) s
Задаваясь коэффициентом проницаемости среды к\ в ве|
кальном канале, получаем с использованием отношений D
и D.28)
Q ш
При р^« 103 кг/м3, М ¦ 10'ЧЪгс, величина Q\ составЛ
3,08 (г kiq2^ м'/с (^ выражено в кт). i
В качестве иллюстрации на рис. 4.18 приведено распред<
ние относительного избыточного уровня жидкости ДА в зав;
мости от приведенного эпицентрального расстояния для раз
моментов времени, полученное в результате численного ид
рирования уравнения D.33) с учетом D.27), D,35) - D.
Для наглядности на рис. 4.19 приведен купол подземных
того же расчета. Расчет проводился для случая q - 20
132
ри? 4.18. Зависимость уровня подземных
,од при взрыве q - 20 кт от приведенного
расстояния:
jlj - время с момента взрыва соответ-
соответственно 0; 3; 10 мин
2
1
-Ю0
-50
О
50 r/Re
Рис 4Л 9. Купол подземных вод при взрыве q - 20 кт при времени с момента
взрыва t = 0 мин (а) и 5 мин (б)
Н = 600 м, b = 70 м. Начальное пространственное распр*
ление <р (г) выбиралось в соответствии с зависимостью ?4
В расчетах использовались близкие к реальным характе|
тики водопроницаемого пласта: а ~ 2$ м, ко = 10'ц •?
Ро — 0,5 МПа (Ао = 25 м). Из рис. 4.18 видно, что за в
рассасывания купола жидкость не успевает профильтрова
глубь коллектора: при ярко выраженной неоднородности ^
чального распределения <р(г) рассасывание купола происхс
за счет стока жидкости в столб обрушения (к\ = 100 ;
Это означает, в частности, что после установления избы!
ного напора жидкости в момент взрыва дальнейшего его ,
растания за счет рассасывания купола ни на одном из {
стояний не происходит. Таким образом, можно ожидать,
максимальное увеличение уровня подземных вод на любом ф
сированном расстоянии от взрыва определяется амплиту
взрывного воздействия и достигается в момент времени
Согласно выполненным расчетам время установления ста*
нарного режима течения h (полное рассасывание купол*
формирование депрессионной воронки) не превышает nej*
десятков минут.
В момент времени /2 режим фильтрационного стока смен!
ся режимом фильтрационного всасывания жидкости через
линдрическую поверхность г = Ro (объем жидкости, поступаю!
к поверхности стока по водоносному слою, недостаточен *
обеспечения напорной фильтрации в столбе обрушения). >
В этом случае при определении конкретной величины
распределения напора подземных вод в пространстве необхс
мо учитывать, что на центрально-симметричное движе
грунтовых вод к цилиндрической депрессионной поверхно
наложено плоское квазиодномерное фильтрационное движе!
жидкости по водоносному горизонту. В простейшем случае моа
считать, что оба эти движения осуществляются независимо
справедлив принцип суперпозиции. >
Напорная фильтрация в водовмещающем слое, содержащем
линдрическую депрессионную поверхность. В качестве прим:
рассмотрим напорную фильтрацию жидкости в слое толщиной
содержащем цилиндрическую депрессионную поверхность ради;
Ro. Оценки будем проводить для случая стационарного тече!
в гидравлическом приближении: все характеристики пот*
осредняются по толщине слоя.
При сделанных предположениях допустима следующая cxei
тизация движения жидкости. В плоскости (х, у) осуществ,
ется одномерная фильтрация подземных вод (для определи
ности - вдоль оси х) со скоростью фильтрации и. В мом
времени t = h указанное движение вод усложняется централ!
симметричным течением с некоторой скоростью фильтрап
и (г). Очевидно, что в этом случае результирующая скора
фильтрации иЛх , у) в произвольной точке потока М (
рис. 4.17) имеет следующие составляющие по осям х и у:
134
ш и - и cos (а),
„ ж -и sin (а),
и\у г
л - У1™1 между осью х и радиусом - вектором точки М.
Для центрально-симметричной составляющей течения с уче
закона сохранения массы имеем
отсюда
COnSt - "О ПРИ Г = R0
И
"о
Привлекая последние два соотношения с учетом
(а) - х/r и sina » у/г,
ще г -/х2 + у2 ,
получаем
1л I Г 1
где через /3 обозначено отношение
Э - ио/и - '0x1QnamuRo).
Уравнение линий тока
x2+y2-
легко интегрируется и его решение представим© в виде
ще ci - константа интегрирования, значение которой опреде-
определяет конкретную линию тока.
В качестве иллюстрации на рис. 4.20 приведены линии тока
в окрестности депрессионной поверхности г « Rq для некоторых
значений параметра Э, определяющего соотношение между есте-
естественным расходом жидкости через единицу поверхности в водо-
водоносном слое и количеством жидкости, поступающей в вертикаль-
вертикальный проницаемый канал. Из рис. 4.20 видно, что линии тока в
окрестности депрессионной поверхности существенно искривле-
135
6
Рис. 4.20, Линии тока под-
подземных вод в окрестности
депрессионной поверхности:
- -0,5; б - K - 1;
• 5
ны, напор жидкости в произвольной точке М, определяемый clj
ростью фильтрации в соответствии с D.27), зависит не тол*
от эпицентрального расстояния г, но также от угла а (с
рис. 4.17). Последнее означает, что наблюдательные скважин
расположенные на одинаковом удалении г от эпицентра взрыв
но различно ориентированные по азимуту, должны показы*"
разный уровень подземных вод.
Уравнение изопьез (в данном случае линий одинакового э
фективного напора жидкости, поставленного в соответств|
давлению Р) представимо в виде
д
Bis
ду
х2+у2 -
и имеет решение
jc2+y2
*o
Сг = const.
Учитывая, что константа сг определяется эффективной
той водоносного слоя h, получаем распределение уровня
товых вод пространстве в виде
выС
136
а
6
в
Рис. 4.21. Изо!
линиями тока подземных вод <
значения см. рис. 4.20)
и + Ло.
D.39)
Следует отметить, что решение
решении стационарного уравнения
= О
с граничными условиями
D.39) получается и при
-00
dh
г- 0 :
дх
dh
д
т
pgko
№.
pgko
8 качестве иллюстрации на рис. 4.21 приведены изопьезы
137
для некоторых значений расчетных параметров. Приведенные-
шения свидетельствуют, что характер фильтрационного теч<|
жидкости в слое с депрессионной поверхностью г - Ro опр
ляется безразмерным параметром В - ы/ио. В частности,
< 1 течение жидкости во всех точках пространства
ществляется преимущественно вдоль начального течения
товых вод (и. > 0). При Э » 1 существует точка (х
у « 0) с нулевой скоростью движения жидкости. Случай
наиболее интересный с точки зрения практики, характерна
ся наличием целой области течения с и. < 0 (рис. 4;
Конкретное значение параметра Э определяется величиной
при t >
В том случае, когда вызванный действием взрыва до)
нительный напор АА « Ао либо в результате стока грунте
вод время рассасывания купола мало по сравнению со времс
заполнения образовавшихся при взрыве пустот, для оце
величины Q\ допустимо привлекать соотношение
2ПакоРо
D.
получаемое интегрированием уравнения D.2) в области
< г < го, где Ro - радиус зоны подпитки депрессионной
верхности, Ро - как и ранее давление жидкости в нево$
щенной области (г —» *»).
В случае ненапорной фильтрации вместо зависимости D
следует использовать зависимость Гиринского [15]
Qnrgkoi
1 Jil/КЛ
\
oihl - h\)
\i\n{Ro/ro) '
где Ао и Ai - соответственно напор подземных под при г -
и на границе г - Ro. '\
В нашем случае г0 соответствует расстояниям, на кота
\,
Заключительный этап изменения уровня грунтовых вод <
зан с заполнением образовавшихся при взрыве пустот О
становлением первоначального уровня Ло). С помощью
шений D.32) и D.40) легко оценить длительность этого t
цессе. Действительно, при ко - 10й м2, Ро - 0,5 Ц
q * 100 кт, 7) ~ Ю, время заполнения пустот подземн!
водами
2ПакоРо
г
составляет около 60 сут.
Реально время восстановления первоначального уровня гр
товых вод может быть значительно более длительным в связ
образованием протяженных магистральных трещин, замыка
138
яа №Уте горизонты, а также кальматацией и нарушением
структУРы проницаемых каналов водоносного слоя в результате
В результаты инструментальных наблюдений [15]. Исследование
реакции подземных вод на крупномасштабное взрывное воздейст-
воздействие проводилось в течение продолжительного времени A983-
1989 гг.) с помощью группы наблюдательных скважин, пройден-
пройденных в одном из регионов Восточного Казахстана (горный массив
Балапан). Регистрация уровня подземных вод проводилась йе-
ряодически в общей сложности на 68 скважинах при 12 крупно-
крупномасштабных взрывах эквивалентной мощностью от 8 до 150 кт на
глубинах от 300 до 600 м.
Опыт I И И1 IV V VI
Мощность, кт 50-100 12-25 100-150 100-150 50-100 50-100
Глубина, м 460 300 600 520 450 500
Продолжение вывода
Опыт . VII VIII IX X XI XII
Мощность, кт 100-150 50-100 100-150 100-150 12-25 6-12
Глубина, м 600 500 600 620 600 450
В каждом эксперименте наиболее детально изучались скважи-
скважины, расположенные в зоне влияния взрыва: на расстояниях от
0,3 до 10 км от эпицентра. На рис. 4.22 в качестве примера
представлено расположение наблюдательных и боевых скважин на
двух исследуемых участках земной коры.
Подземные воды распространены в изучаемом регионе повсе-
ю, носят напорно-безнапорный характер и приурочены • к
зонам экзогенной и тектонической трещиноватости скальных по-
пород палеозойского фундамента. Водосодержащие горизонты
вскрыты на глубинах от 2,1 до 70 м и характеризуются напо-
напором 4-66 м.
Области питания подземных вод сосредоточены в основном
на юго-западе исследуемых территорий на участках выклини-
выклинивания местного водоупора. Фильтрационное течение подзем-
подземных вод, характеризующееся уклоном от 0,05 до 0,02, осу-
осуществляется преимущественно в северо-восточном направлении
(рис. 4.22, а, 4.22, в). Сложное геологическое строение ре-
региона и наличие ряда структурно-тектонических нарушений
разного порядка определяет неоднородность фильтрационных
свойств водовмещающих пород. В пределах структурных блоков
водопровод им ость составляет 0,05-1,3 м2/сут, в то время как
вблизи тектонических нарушений эта величина может достигать
14-34 м2/сут.
По данным скважинной расходометрии, наиболее обводненной
является верхняя часть разреза, приуроченная к зоне экзо-
экзогенной трещиноватости скальных пород, мощность которой по
139
Рис. 4.22. Схемы участков (а-
разных опытов:
7 - наблюдательные скважины; 2
вые скважины; 3 - уровень пол
вод; 4 - границы структурных бло
данным бурения и геофизических исследований составля
разных участках от 10 до 40 м. Коэффициент проницае
водовмещающих пород в пределах структурно-тектонич
блоков составляет по оценкам 3* 10"u-6-1014 м.
Режим подземных вод преимущественно равнинный. Сутс
колебания уровня вод не превышают 3-5 см. Для региона
лом характерен общий подъем уровня подземных вод на 1-'
период весенне-осеннего паводка.
Проведение крупномасштабного подземного взрыва привс
существенному нарушению гидродинамического режима подз&
вод. Хотя изменение уровня подземных вод носит сложный
странственно-временной характер, определяемый конкрет
характеристиками массива горных пород, удаленностью наби
тельной скважины от эпицентра взрыва, наличием близкор,
ложенных тектонических нарушений и т.п., можно выделит
щие закономерности.
Непосредственно после взрывного воздействия на водов*
ющие породы регистрируется общий кратковременный го
уровня подземных вод в наблюдательных скважинах (в отде;
случаях их фонтанирование). Затем в течение короткого с
ка времени @,1-3 сут) наблюдается снижение уровня подзе
вод до первоначального и ниже.
Наиболее отчетливо это проявляется в ближней зоне вг
(г < 1 км), где снижение уровня относительно первоначал:
может достигать 40 м. Далее в течение продолжительного
мени (от 10 сут до 6 мес) наблюдается устойчивая тендер
140 !
"•с. 4.23. Изменение уровня подземных в наблюдательных скважинах
*фыве XI: .
1 ~ г - 0,8 км; 2 - 0,5 км; 3 - 1 км; 4 - 1,57 км
Рис. 4.24. Изменение уровня подземных вод в наблюдательных скважинах
взрыве VII:
У - г - 0,9 км; 2 - 0,93 км; 3 - 1,25 км
к восстановлению первоначального уровня. Это хорошо вид»
рис. 4.23 и 4.24, на которых в качестве иллюстрации П|
ставлено изменение уровня подземных вод в некоторых набл!
тельных скважинах при опытах X и XL t
В целом характер изменения уровня подземных вод во
наблюдательных скважинах одинаков. При этом амплитуда и;
нения определяется расстоянием от наблюдательной скваяй
до места проведения взрыва и азимутом а.
Конкретные особенности зависимости ДА(г, t) определ1
ся мощностью взрыва, а также структурно-тектониче
строением массива горных пород. Так в опыте VII в пе
часы после проведения взрыва отмечено снижение уровня
земных вод на 0,3-0,6 м в наблюдательных скважинах №
23, расположенных соответственно на расстояниях 2,2 и 3,
от эпицентра взрыва. При этом в скважинах № 13 и 17,
положенных на расстояниях 3,8 и 4,8 км изменения уровня
отмечено. В течение 30 сут после проведения взрыва
уровень подземных вод стабилизируется (отклонение от пе
начальной величины не превышает 0,1 м).
В опыте VIII в наблюдательных скважинах № 40 и 41
рис. 4.22, в), расположенных в пределах одного структу)
тектонического блока с боевой скважиной, наблюдалось
нирование жидкости в течение 7 ч. В других близкорасга
женных от эпицентра взрыва скважинах № 36, 37, 45 rf
средственно после взрыва зарегистрирован подъем уровня г
кости на 3,6-4,2 м.
В последующие сутки общее снижение уровня доел
ДА = -60 м. Поведение жидкости в конкретной наблюдател!
142
скважине обусловлено ее приуроченностью к отдельному срук-
турно-тектоническому блоку. Так влияние взрывного воздей-
воздействия на уровень подземных вод в наблюдательных скважинах
1$ 37, 40, 41, расположенных в пределах центрального струк-
струк?
турно-тектонического блока, одинаково. Одинаковым образом
ведет себя при взрыве уровень жидкости в скважинах № 43 и
45, приуроченных к зоне влияния тектонического разлома (см.
рис. 4.22, в). В то же время уровень жидкости в наблюда-
наблюдательных скважинах № 36, 42, 47, расположенных за пределами
центрального структурно-тектонического блока, при взрыве
практически не изменяется.
В опыте IX максимальный подъем уровня (превышение АЛ
составляет 2,5 м) зарегистрирован в наблюдательной скважине
№ 17 (см. рис. 4.22). В первые часы после взрыва наблюда-
наблюдалось общее снижение уровня жидкости на величину от 0,6 м
(скважина № 7, г « 3,3 км) до 4,4 м (скважина № 12). Анализ
изменения уровня подземных вод в наблюдательных скважинах
при взрыве IX свидетельствует о том, что помимо удаленности
скважин от эпицентра взрыва на величину изменения ДА влияет
начальное гипсометрическое положение ее уровня. В частности,
при сопоставлении величины изменения уровня вод в практи-
практически равноудаленных от взрыва IX наблюдательных скважинах
№2, 7и№9, 13 наибольшее снижение уровней на 6 и 10 м
произошло соответственно в скважинах № 2 и 9, характери-
характеризующихся более низким гипсометрическим положением начально-
начального уровня.
При взрыве X, проведенном спустя 3 мес после взрыва IX,
наибольший подъем уровня подземных вод (около 3,4 м) наблю-
наблюдался в скважине № 26, расположенной на эпицентральном рас-
расстоянии г « 2 км (следует отметить, что именно в этой сква-
скважине наблюдалось максимальное изменение уровня при взрыве
Щ. В наблюдательной скважине № 27, расположенной в преде-
пределах одного структурно-тектонического блока с боевой скважи-
скважиной (взрыв Х)9 максимальный подъем уровня составил 1,6 м.
По другим наблюдательным скважинам подъем уровня в момент
проведения взрыва незначителен (до 0,2 м), за исключением
скважины № 34 (г - 1,7 км), в которой максимальный подъем
уровня достиг 1,0 м.
Во всех наблюдательных скважинах, расположенных в окрест-
окрестности опыта X (за исключением скважин № 24 и 26, находя-
находящихся в зоне непосредственного влияния опытов VII и IX), в
течение суток с момента проведения взрыва регистрировалось
максимальное снижение уровня подземных вод. При этом ампли-
амплитуда изменения уровня существенно зависит от расстояния г
Номер скважины . .
р км
Амплитуда изменения
в течение первых
через 6 мес . . •
уровня вод, м:
суток
30
0,96
-8,5
-1,6
29
1,28
-3,8
-0,9
33
1,29
-2,8
-0,8
32
1,65
-1,1
-0,4
34
1,73
0,1
-
25
4
¦
0
-
143
Таблица 4.3
Изменение уровня подземных вод при разных
эпицентральных расстояниях
Номер наблюда-
наблюдательной скважины
8
2
1
9
10
11
12
13
5
4
3
6
7
Эпицентральное
. расстояние, км -
1
Амплитуда изменения уровня вод,
Н
в течение суток
спустя 6 мя
Водоносный комплекс раннекаменноугольного возраста
0,5
1
1,5
1
1,3
2,3
2,6
2,9
Водоносный' комплекс
1,1
1,5
1,6
Водоносный комплекс
0,5
0,7
-П,7
-3,2
-2,3
-1,8
-0,2
-0,1
-0,4
-0,2
среднекембрийского возраста
-3,4
-0,9
0,1
позднепалеозойского возраста
-15,9
-19,7
-1,2
0,4
0,4
0,4
0,6
0,8
0,7
-1,5
-0,7
-5,2
-4,1
В момент взрыва XI подъем уровня подземных вод составив
среднем около 0,4 м. Наибольший подъем уровня A,2 м) cm
чен в скважине № 7. Наибольшее снижение уровня подземных ¦
наблюдалось в скважине № 6 (см. рис. 4.22, б), расположе:
на расстоянии 0,5 км от эпицентра взрыва. В остальных наб|
дательных скважинах максимальное снижение уровня вод прос
живалось в течение первых суток. Амплитуда изменения
помимо удаленности от эпицентра взрыва определяется ?^
ными структурно-тектоническими особенностями массива, a t
же приуроченностью наблюдательных скважин к различным ва
носным комплексам (табл. 4.3).
h
Продолжительные наблюдения за уровнем подземных вод в :
блюдательных скважинах, удаленных от места проведения взрв
на расстояния свыше 3-5 км, свидетельствуют о нарушея)
естественного гидрооежима в значительной по объему сила
При этом отмечается общая тенденция снижения уровня на 2-
после проведения взрыва, слабее выраженная в скважин!
расположенных вблизи области питания (скважины № 20, 23,
рис. 4.22, б).
Изменение гидрогеологической обстановки в районе прове*
ния крупномасштабных подземных взрывов обусловлено измене!
ем механического состояния массива горных пород в результ*
их динамического возмущения. В результате повторного гиэд
144
4.4
результаты гидрогеологического опробования
и после проведения взрыва
Взрыв
VII
VIII
\
IX
XI
Номер
скважи-
скважины
Напор, м
Дебит, м*/сут
Водопроводимость,
24
20
23
48
45
47
49
42 -
41
40
37
36
9
13
12
17
7
6
5
9
8
1
10
11
44,4
3,6
19,0
*
16,5
61,7
31,9
-
56,8
53,2
23,1
14,3-
-42,7
21,2
62
4,6
57
53,4
4,0
9,4
42,9
27,1
23,7
58,3
24,2
3,7
17,4
61,6
24,9
28,6
34,6
3,5
22,8
9,4
18,6
57,8
0,4
50,5
46,5
2,6
9,1
41,4
29,1
27,1
59,5
28,5
16,6
7,7
34,5
34,6
19,8
34,5
6,8
180
18,0
78,5
31.1
27,6
95,9
9,5
233,3
63,9
1,04
144,3
27,4
19,0
190
0,55
0,17
28,5
17,4
4,3
35,4
23,9
16,9
16,5
6,2
32,8
16,4
20,7
50,1
27,6
101,9
9.5
159,8
108
0,03
127,8
36,0
24.2
173
5,2
0.28
3,9
0,78
0,26
3,0
3,5
1.69
1,0
0,16
16,5
0,7
10,0
3,0
1,82
7,8
0,39
30
2,6
0,02
18.1
1,5
0,72
27
0,02
0,01
3,51
0,91
0,52
3,0
13,7
1,43
0,8
0,16
2,1
3,38
7,7
6,0
1,95
14,3
0,39
35,1
7,7
0,000
18,5
2,1
0,91
24
0,2
0,01
Примечание: индекс 1 - до взрыва, индекс 2 - после взрыва.
дологического опробования при взрыве VII было установлено
¦вменение водопроводимости водовмещающих пород (табл. 4.4).
1 этом наибольшее изменение водопроводности отмечается в
Районе менее водообильных скважин. В частности по скважине
-fe 23 (г = 2,1 км), вскрывающей андезитовые порфиры, отмечено
"величение водопроводимости от 0,26, до 0,5z м2/сут, что
^Ответствует увеличению общей пористости пород с 3,8 до
U%. В скважинах № 20 и 24 водопроводимость изменилась в
¦еньшей степени (соответственно на 0,13 и 0,4 м2/сут).
При взрыве IX в близкорасположенной к эпицентру скважине
-« 12 (г = 0,8 км), вскрывающей слабопроницаемые туфы и туфо-
ввролиты, водопроводимость не изменилась (см. табл. 4.4). В
*важине № 17 (г - 1,3 км) отмечается незначительное увели-
ение водопроводимости (на 15%) за счет образования дополни-
дополнительной зоны водопритока (по данным расходометрии в интерва-
145
лс 52-54 м). Наибольшее увеличение водопроводимосп
взрыве (на 83%) зарегистрировано в наблюдательной ск
№ 13 (г - 2,2 км). По данным расходомстрии, такое удел;
объяснимо существенным повышением проницаемости в
щающих туфопссчаников в результате взрывного возде
Более подробные геофизические исследования подтверд
менсние свойств указанных пород при взрыве. В ча
отмечается снижение их кажущегося электрического сопр
ления на 38%. \
Подробное гидрогеологическое обследование наблюдате!
скважин после проведения взрывов позволило установить
один эффект: наряду с изменением водопроводящих свойсТ)
довмещающих пород в некоторых скважинах отчетливо peri
рустся сдвижение интервалов преимущественного водопр!
При взрыве VIII в наблюдательной скважине № 37 (нача|
водоприток регистрировался в интервале 40,8-53 м) было
чено снижение основного водопритока до уровня 61 м и
вание дополнительного интенсивного водопритока с водог
димостью 9,1 м2/сут в интервале 73,5-77 м. Такое смец.
интервалов водопритока можно объяснить установлением ги
лической связи между близкорасположенными трещинами в
развития тектонической трещиноватости либо образование!
гистральной трещины в результате взрыва.
5. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ
И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ
В СРЕДЕ С ИСКУССТВЕННЫМИ
И ЕСТЕСТВЕННЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ
5.1. ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ
ПРИ ЭКРАНИРОВАНИИ ВЗРЫВНОГО ИСТОЧНИКА
НЕЗАПОЛНЕННОЙ ЩЕЛЬЮ
_ *
Существует несколько способов управления взрывным во
ствием. Одни из них предполагают использование на пра
конкретных горно-герлогических особенностей в строении
родного массива. Проведение подземного взрыва с учетом ^
щихся тектонических разломов, крупных трещин, условий
гания и морфологии рудных тел позволяет в определенной
пени регулировать пространственные характеристики разруц
породного массива. j
Другие способы управления разрушающим действием щ
химического ВВ основаны на проведении специальных меро)
тий по совершенствованию конструкции и способов приме!
146
зарядов ВВ, либо создания в разрушаемом массиве искусствен-
искусственных неоднородностей.
На основе рассредоточения и конструктивного оформления
зарядов ВВ (например, с использованием воздушных промежут-
промежутков) удается достичь заметного эффекта при дроблении породы.
При использовании подземного ядерного взрыва возможности для
рассредоточения и совершенствования конструкции зарядов ог-
ограничены. В этом случае для получения требуемого грануло-
гранулометрического состава и нужного его пространственного распре-
распределения необходимо либо применять вторичное дробление, на-
например, с помощью жидких ВВ [38], либо создавать в массиве
искусственные компенсационные объемы.
Одним из важных технологических приемов, позволяющих ак-
активно вмешиваться в процессы деформирования и разрушения
среды при подземном взрыве (ослабление сейсмовзрывного эф-
эффекта, управление процессами, связанными с разрушением гор-
горной породы), является создание во взрываемой среде экранов -
протяженных незаполненных объемов, нужным образом оконтури-
вающих взрывной источник. При этом следует отметить, что
имеющиеся модификации взрывной технологии (в том числе при
использовании подземного ядерного взрыва [44]) предполагают
применение искусственно созданных щелевых экранов для управ-
управления разрушающим действием взрыва в достаточно широком ин-
интервале.
Наличие экрана в деформируемой взрывом среде (как искус-
искусственно созданного, так и естественного происхождения, - на-
например, крупной трещины или тектонического разлома) усложня-
усложняет анализ и прогнозирование последствий подземного взрыва и
требует решения ряда специфических задач, таких как: опреде-^
ление ослабления интенсивности взрывного воздействия при пе-
переходе волны сжатия через крупное природное нарушение, либо
искусственно созданный экран, установление дифракционной
картины волнового поля на краю экрана, а также определение
параметров дополнительного дробления среды.
В настоящем разделе рассмотрены основные закономерности
взрывного деформирования твердой среды в присутствии экра-
экрана - незаполненной щели постоянного раскрытия е. При по-
постановке модельных экспериментов роль щелевого экрана вы-
выполнял плоский промежуток между двумя независимо приготов-
приготовленными блоками модельной среды (тиосульфат натрия). Блоки
'Устанавливались на поролоновой подушке, обклеенной микро-
микропористой резиной. Выбранная схема опыта позволила избавить-
избавиться от сигнала, огибающего экран конечного размера, и таким
образом удалось выявить влияние щели на параметры волны
с в чистом виде.
Скорость движения среды за щелью со временем определялась
.с помощью электромагнитной методики измерения массовых ско-
скоростей.
Задержка запуска регистрирующей аппаратуры на время за-
1 ¦
147
Рис 5.1. Осциллограммы массовой скорости за экраном
w m
паздывания волны- Д;» при переходе через экран произвс
лась при необходимости с помощью, генератора прямоуголы
импульсов Г5-15. Отрезная щель шириной 0,014 м/кгЩ
/1^ < 0,08 м/кг'3 организовывалась на различных
стояниях от взрыва I < R09 где R+ - радиус зоны разруше
при взрыве в монолитной среде (для тиосульфата на?
j* 0,68 м/кг1/3). S
?
В дальнейшем через vo(r) и в (г) будем обозначать coon
скорости в момент прихода волны в защелевую обл
l/ql/f > 0,4 м/кг|/3 связано, по всей видимости,
ственно максимальную массовую скорость с расстоянием и вр
нарастания массовой скорости до v0 ifpn взрыве в монолит
среде (без. щелевого экрана), через vi (/) и 9i (/) - ма!
мальную скорость смещения дальней от взрыва стенки экран
время нарастания в волне сжатия непосредственно за эк рано!
Характерные осциллограммы массовой скорости в среде,
гороженной от взрывного источника щелевым экраном, привел
на рис. 5.1. Для щелей с l/q1^ < 0,4 м/кг/3 типичной
ляется осциллограмма а. для щелей с //<?1/3 > 0,4 м/
(при е/я1/3 < 0,05 м/кг1^) - осциллограмма б. Наличие;;
полного по амплитуде резкого (практически ударного) на
тания
при
откольно-тарелочным характером разрушения материала сред
области перед щелью. Действительно, среди возможных об
нений наиболее вероятным в данном случае представля
предположение о первоначальном ударе по неподвижной (
ленной от взрыва) стенке экрана откольной массой, летя
как единое целое. Дальнейшее нарастание и максимум скор^
определяются воздействием разрушенного материала. В сл|
близко расположенного экрана откольное разрушение матер!
при выходе волны сжатия на ближнюю стенку щели начина
практически со свободной поверхности, что приводит к гла|
эпюре массовой скорости в защелевой области.
Анализ временных параметров движения, полученных в эЦ
риментах со щелями, характеризующимися разными значения!
и U показывает, что время запаздывания волны при пе
через экран с хорошей точностью определяется соотношение)
IV.
Последнее говорит о близком к откольному характере ра
шения среды при выходе волны сжатия на свободную поверх*
экрана.
148-
рис
5.2. Максимальные массовые
скорости за экраном шириной
- 0,027 м/кг1'*; 1 • при взр
1'3
взрыве без
1'3
0,02 /; р р
экрана; 2 - /У*1'3 = 0,32 м/кг1'3;
j - 0,49 м/кг1/3
W Ш 1,0
Рис. 5.3. Максимальная скорость смещения
дальней стенки экрана:
I - максимальные массовые скорости при
взрыве без экрана; 2 - e/ql& - 0,013
м/кг1'3; 3 - 0,027 м/кг1/3; 4 - 0,055
м/кг1/3; J - 0,08 m/кг1^3; а - экран со-
соприкасается с зарядом (взрыв в воздушной
полости)
1/о, М/С
/ffffl/t \
ю
0,1 0,2 0,4 0,81,0
?+6 м
рис. 5.4. Коэффициент экранировки для
Целей (обозначения см. рис 5.3)
к
10
0,1 0,2
Регистрация массовой скорости в среде за экраном
вает, что длительность положительной фазы движения при щ
ходе волны через незаполненный экран в пределах разбр
экспериментальных данных не меняется. Заметное влияние с
зывает экран на время нарастания массовой скорости,
чески влияние раскрытия щели на величину 9i можно вырази!
виде
Qi/вф ш 55(е/G1/3); 0,014 < e/q1** < 0,05 м/кг1/3,
где е - раскрытие щели, м; q - масса заряда, кг.
При этом следует отметить, что место расположения экр
на времени нарастания практически не сказывается
тельная координата llq1^ принимала в опытах значения
0,22 м/кг1'3 до 0,65 м/кг1*.
Изменение амплитуды волны сжатия при переходе через ц
вой экран наглядно демонстрирует рис. 5.2, из которого i
но, что наличие щелевого экрана существенно снижает инте|
вность взрывного воздействия в твердой среде на расстояй
г > / + е. На рис. 5.3 приведена максимальная скор
смещения дальней стенки экрана в зависимости от праметрс
и е. Для сравнения на рис. 5.2 и 5.3 приведена зависим^
vo(r), полученная при взрыве в монолите (см. разд. 1.1). ";¦
Коэффициент экранировки взрывного воздействия (рис, ,
в среде по амплитуде волны сжатия
Аналитически зависимость к (е, /) представима в виде
0>6( , Г9 @,014 <e/q1/3< 0,05 м/кг1/3,
80 l-ь-тг| l-^-rl при
0,25
к - 22(е/^H'6 при llqxl* < 0,2 м/кг1/3.
Таким образом, экранирование взрывного источника сущ*
венно видоизменяет взрывной сигнал. Помимо непосредст!
ного ослабления амплитуды волны сжатия, что с практичеС
точки зрения важно для снижения сейсмовзрывного эффа
щель является эффективным фильтром высоких частот. Дейс
тельно, заметное увеличение времени нарастания при пере?
сигнала через экран означает не что иное, как удаление
кочастотных из спектра волны. ¦
Передача энергии через неограниченную щель осуществля
в результате разрушения среды при выходе волны сжатия
свободную поверхность и последующем ударе раздробленным
териалом по первоначально неподвижной (дальней от взр*
стенке экрана (в редких' случаях возможна передача незн
тельной доли экрана посредством воздушной ударной волны)
Схематизируя явление, будем предполагать, что основ
150
цассу вещества, заполняющего щель в процессе движения, со-
составляет материал среды, расположенный первоначально в слое
толщиной д/ непосредственно перед щелью. Тогда плотность
"ударника" р (вещества, входящего в контакт с неподвижной
стенкой экрана при разлете) оценивается следующим образом:
р - рЛИ Ш + е),
1де Ро - начальная плотность среды (уплотнением в волне сжа-
сжатия пренебрегаем).
Считая, что, во-первых, массовая скорость при выходе вол-
волны сжатия на свободную поверхность удваивается [см. зависи-
зависимость E.1)], а, во-вторых, к материалу ударника применимы
представления о сплошной среде, получаем в акустическом при-
приближении
- 2cuA/v0(/)/(c ц,
где с и с - скорость звука в среде и материале ударника
соответственно.
Предполагая, что степень связности материала ударника
пропорциональна времени движения материала в свободном про-
пространстве экрана, считаем с известной долей приближения, что
скорость передачи возмущении с пропорциональна массовой
скорости:
С использованием последних трех соотношений получаем
'-4
V
E.2)
Для оценок естественно выбрать в качестве величины Л/
толщину окольного слоя. В этом случае
E.3)
2p0v0</>
ВДе т - длительность положительной фазы движения; <гот -
прочность материала среды на отрыв.
Выражение E.2) справедливо для вертикальной (отрезной)
Щели. Для экрана, расположенного горизонтально под разру-
разрушаемым блоком породы (подсечка), вместо сот должна входить
разность <гОт - Pog (Л + /), где h - глубина взрыва.
С учетом E,2) и E.3) получаем
к
E.4)
151
Величина к> рассчитанная по формуле E.4) при •*
1800 кг/м3, с - 4500 м/с, \<гт\ = 107 Па, Б* -i
- 0,027 м/кг1'3 приведена ниже для щелей, ?
положенных на различном расстоянии от взрыва (значение
Vo выбирались в соответствии с данными разд. hi). Зщ
представлены экспериментально найденные значения
циента экранировки
Коэффициент экранировки взрывного воздействия по амплитуде мае сове
роста в зависимости от удаленности щелевого экрана
, м/кг1/3 0,22 0,33 0,49
м/с 90 38 19
к 2,7 3,44 4,77
Л 3,4 4,9
Необходимо отметить хорошее совпадение результатов ¦%
лирования с данными, полученными при регистрации
реального массива горных пород при опытно-промышленном.)
ном взрыве (см. разд. 4.3) ¦ Идя указанного ва
?
/W s 0,44 м/кг-0) коэффициент экранировки щел!
экрана по максимальной массовой скорости составил вели
в диапазоне 4+6 (разброс связан с различным расположу
конкретных пунктов регистрации массовых скоростей от|
тельно щелевого экрана). Эта величина хорошо согласуем
результатами модельных экспериментов, приведенными выей
5.2. РАЗРУШАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА
В ПРИСУТСТВИИ ЩЕЛЕВОГО ЭКРАНА
Специфические особенности деформирования твердо*
при взрыве с экраном приводят к дополнительному дрс
горной породы по сравнению с экспериментами в сплоиш
сиве. Возможность дополнительного разрушения породы п
уплотнении в процессе заполнения экрана, а также coy:
летящих осколков с неподвижной (дальней от взрыва)
приводят к интенсификации дробления породы в области,
гающей к экрану.
Наличие первоначально незаполненного объема в виде
вого экрана обеспечивает возможность дополнительно!
уплотнения разрушенной при взрыве горной породы. Пр
разуплотнение конкретного участка массива при заполнен
рана определяется расстоянием до последнего. Степень
лотнения разрушенной породы в первую очередь сказыва
ее проницаемости, причем большее разуплотнение обесп
большую проницаемость. 6 качестве иллюстрации на р
приведены полученные в настоящей работе результаты ф*
ционных исследований породного массива в промежутке
152
Рис 5.5. Проницаемость породного мас-
массива в промежутке *между зарядом и
вертикальным щелевым экраном
зарядом и щелевым экраном (в зоне влияния последнего) при
Опытно-промышленном взрыве эквивалентной мощность 2 кт B).
Для сравнения на рис. 5.5 приведены результаты фильтрацион-
фильтрационных исследований разрушенного этим ще взрывом породного мас-
массива, расположенного в области, в которой влияние экрана
отсутствует Ш. Следует отметить, что приведенные на рис.
5.5 данные подтверждают результаты ранее выполненных оценок
по определению размеров области влияния щелевого экрана с
конкретными параметрами е и /.
Обращаясь к рис. 5.5 следует особо подчеркнуть, что поми-
помимо улучшения фильтрационных характеристик разрушенной среды
в пределах блока экран снижает интенсивность взрывного воз-
воздействия в области за экраном.
Дальняя от взрыва стенка экрана служит своего рода гра-
границей, за которой проницаемость существенно меньше своего
значения при взрыве в монолитной среде. Одновременно с этим
экран является хорошей преградой на пути распространения
одиночных трещин при взрыве, что так&е улучшает изоляцию
отрабатываемого участка массива. При этом изолирующее
действие экрана усиливается, если применять его на направ-
направлениях преимущественно возможной миграции жидких и газо-
газообразных тел (крупные трещины, тектонические разломы, об-
области повышенной нарушенное™ и проницаемости).
Исследование гранулометрического состава разрушенной
среды при взрыве со щелевым экраном проводилось в настоящей
153
Ю
Z
• 2
о 3
if
0,2
и
Рис 5.6. Средний размер отдельности
взрыве с экраном е/q1* = 0,027 м/кг
B-4):
1 - данные при взрыве в монолитной с
2 - I fq1?* - 0,65 м/кг1/3; 3 - U9 м/к
4 - 1,3 м/кг1/3
работе на моделях, а также при опытно-промышленном ядерном
взрыве эквивалентной мощностью 2 кт.
При моделировании рассматривался взрыв сферического заря
да массой 4*10~4 кг в канифоли, помещенной для предотвращу
ния разлета разрушенного материала в специальную обойму. Из
учение гранулометрического состава разрушенного материала ¦
помощью ситового анализа и микроскопирования (предварител!
ная проверка показала, что оба метода дают сходные результ!
ты) позволило установить, что в отличие от характеристик
полученных при взрыве в монолитной среде, зависимость сред
него размера отдельности <х> с расстоянием до взрыва г
промежутке между зарядом и щелью носит немонотонный хараи
тер. Это хорошо видаю из рис. 5.6, на котором представлен
результаты эксперментов. В частности, из рисунка следует
что по мере удаления от центра взрыва средний размер отд
ности в разрушенной среде сначала возрастает, затем умень
ется, достигая в месте расположения щели локального мини
ма. Наличие более мелкой фракции в место расположения щ
как уже упоминалось, объясняется дополнительным разрушение
материала среды при разгрузке и ударе осколков в неподвижную
преграду. ¦
Характер зависимостей <х> (г), приведенных на рис. 5.
позволяет оценить размер области, в которой характеристик
разрушенного материала совпадают со своими значениями п|
взрыве в монолитной среде. Радиус зоны гт, в которой срел
154
Таблица 5.1
размер области влияния щелевого экрана
Параметры взрыва
м/кг1/3
, м/кг*
Лабораторный эксперимент
(Cff* - 0,027 м/кг1/3)
0,44
0,27
0,17
1,28
0,65
0,4
0,25
1,19
0,98
0,6
0,38
1,29
1,3
0,85
0,45
1Д1
Натурный взрыв
(г///3 - 0,025
м/кг1/3)
0,44
0,24
0,2
1,22
не испытывает влияние экрана, приведен в табл. 5.1 для на-
натурного и лабораторных экспериментов. Одновременно там же
приведен относительный размер области влияния экрана
Примечательно,, что, несмотря на значительное отличие мас-
масштабов, коэффициент разуплотнения и относительные размеры
области влияния щелевого экрана при натурном и модельном
взрыве с теми же относительными параметрами экранировки
близки между собой.
Из табл. 5.1 следует, что для более удаленных экранов
область влияния больше. Причина заключается в том, что на
больших расстояниях от взрыва, где абсолютные деформации ма-
материала в волне сжатия меньше, требуется большая по размеру
область для "набора" деформации, обеспечивающей заполнение
экрана.
Разгрузка в незаполненное пространство экранирующей щели
снижает интенсивность взрывного воздействия за экраном, в
результате чего средний размер отдельностей в материале,
расположенном на расстоянии г > I превосходит размер
отдельностей, наблюдаемый на этих расстояниях при взрыве в
монолитной среде.
Ослабляющее действие экрана приводит к уменьшению раз-
размера зоны разрушения. В частности, для щели с раскрытием
е/?1/3 « 0,027 м/кг1/3 размер зоны разрушения в направлении
экрана можно выразить в виде
где R+ - размер зоны разрушения при взрыве в монолитной сре-
среде, причем для канифоли R+/q1/3 составляет 1,36 м/кг173.
Ширина экрана с, как это было получено при изучении вол-
волновых характеристик взрыва, сказывается на hhi
волны сжатия монотонным образом: при увеличении е
волны за экраном падает. Было бы естественным предполагать,
что степень дробления материала среды в непосредственной
155
Рис. 5.7. Относительный размер
ности в материале, заполняющем
рующую щель раскрытия е„:
- / /д1/3 = 0,44 м/кг1^3; 2
; "j - 0,98 м
отдел
'•к
близости от экрана также меняется монотонным образом при я
менении ширины экрана в полном соответствии с потерями эн
гии взрывного сигнала. Однако эксперимент показывает,
средний размер куска в материале, извлеченном непосредсп
но из щели (отбор производился в месте минимального расс.
ния от заряда до экрана), зависит от ширины экрана б
сложным образом. На рис. 5.7 приведена зависимость <xi>
для экранов, расположенных на разных расстояниях от взр
Через <х> обозначен средний размер отдельности на расстб
г * / при взрыве в монолитной среде. Из рис. 5.7 еле,
что для щели, расположенной на фиксированном расстояни
взрыва, оптимальное дробление осуществляется при неко1
(вполне определенной для данного значения (/) ширине эк
с - Соп* Аналитически зависимость еоп @ можно вырази
виде (м/кг1/3)
еОп/<7х/3 - 0,02
Из последней зависимости следует, что степень измен
Соп от / близка к степени изменения максимальной масс
скорости в волне сжатия с расстоянием г. Последнее преде
ляется естественным, поскольку время, в течение кото
осуществляется дополнительное деформирование материала
заполнении щелевого экрана, как это следует из EЛ)> о
но пропорционально vo.
Некоторые качественные соображения позволяют объя
существование оптимальной с точки зрения разрушен среды
рины экрана еоп. Действительно, при заполнении экрана
лым раскрытием разуплотнение разрушенного матерала огра
но и его деформирование по этой причине практически п
стью происходит в "стесненных" условях (компоненты те1
напряжений отличны от нуля). Увеличение степени деформи
ния материала среды при увеличении ширины экрана ве,
этом случае к повышению качества дробления.
156
В случае экранов большой ширины разрушенный материал по-
подучает возможность разуплотняться со снятием нагрузки. При-
Причем чем больше ширина экрана, тем больший относительный
вклад составляет фаза "свободного11 деформирования (инер-
(инерционное) движение несвязанного разгруженного материала).
Вклад дополнительного разрушения материала, связанного с
деформированием в объеме, в этом случае снижается.
Таким образом получаем, что увеличение ширины экрана при
ее малых абсолютных значениях приводит к увеличению степени
дробления материала среды, в то время как при взрыве с ши-
широким экраном увеличение его ширины ведет к падению вклада
дополнительного разрушения, в связи с чем средний размер
отдельности в разрушенном материале увеличивается.
Полученные распределения среднего размера отдельности с
расстоянием при взрыве с экраном позволяют определить сред-
средний размер отдельностей в материале, расположенном в объе-
объеме, заключенном между зарядом и экраном. Обозначим: <хг> -
средний размер отдельностей в области между зарядом и эк-
экраном, <хо> - средний размер отдельности в той же по разме-
размеру области при взрыве в монолитной среде. Анализ экспери-у
ментальных данных показывает, что применение экрана приво-
приводит к заметному повышению равномерности дробления в прост-
пространстве (см. рис. 5.7), причем степень дробления повышает-
повышается. Это хорошо видно из данных, приведенных ниже. Данные
содержат отношение <*2>/<хо>, характеризующее .степень дроб-
дробления при взрыве с экраном шириной с/д1^ =¦ 0,027 м/кг1^3.
Относительная степень дробления среды при взрыве в зависимости от уда-
удаленности щелевого экрана с относительной шириной c/q1^3 - 0,027 м/кгг'3
щелевого экрана с относительной шириной
/З, м/кг^3 0,44 0,65 0,98 1,3
<х2>/<хо> 0,75 0,65 0,64 0,56
Приведенные результаты оценок показывают, что степень
дробления среды в области между зарядом и экраном зависит от
места расположения щели (ее удаленности от места взрыва).
Более подробный анализ позволяет сделать вывод о том, что
наиболее рациональное расположение щелевого экрана с точки
зрения объема разрушенного материала с фиксированным разме-
размером отдельности соответствует I ~ @,7*0,9O**.
ч
Результаты исследования среды в зоне разрушения опытно-
промышленного ядерного взрыва эквивалентной мощностью 2 кт
приведены на рис. 5.8. Оценка среднего размера отделы]
проводилась в этом случае на основе фильтрационных исследо-
исследований разрушенного взрывом массива с помощью методики, опи-
описанной в разд. 2. Для сравнения рис. 5.8 приведены результа-
результаты непосредственного гранулометрирования отдельностей, про-
проведенного в области между зарядом и щелевым экраном в этом
эксперименте. Дополнительное разуплотнение среды при взрыве
157
2
1,0
0,2
0,1
0,04
-1
-2
-3
20
40
b м/кт
Рис 5.8. Зависимость среднего
отдельности от относительного
71 - оценки по расходометрии; 2 -
метрирование осколков; 3 - в отсу
экрана
(то/т+)
Рис. 5.9. Распределение отдельностей q
размеру в среде при взрыве с экраном npi
расстоянии от взрыва: :
1 - 29 м; 2 - 36 м; 3 - 41 м; 4 - 54 м
с экраном значительно упрощает отбор разрушенного
в указанной зоне. Распределения отдельностей по размеру, по
лученные при гранулометрировании разрушенной взрывом горно
породы на разных расстояниях от взрыва, представлены и
рис. 5.9 в координатах, характерных для расг
зина - Раммлера.
15S
Представленные на рис. 5.8 данные, также как и результа-
результаты лабораторного эксперимента, свидетельствуют о более
равномерном дроблении породы по объему в случае применения
щелевого экрана. Одновременно наличие экрана ведет к су-
существенному увеличению общего объема породы, раздробленной
до более мелких фракций. Анализ свидетельствует, что отно-
относительный объем породы, разрушенной в результате экраниро-
экранированного взрыва до отдельностей, 50% которых имеют размер,
меньший jc, существенно больше по сравнению со взрывом в од-
однородной среде.
При оценках предполагалось, что гранулометрический со-
состав разрушенной породы описывается распределением Рози-
на - Раммлера.
Принимая в качестве величины, определяющей коэффициент
полезного действия взрыва с точки зрения дробления горной
породы, площадь поверхности образовавшихся в результате
разрушения отдельностей, легко получить, исходя из данных
рис. 5.8, что присутствие щелевого экрана, оконтуривающего
взрывной источник с четырех сторон, повышает эффективность
взрыва в 1,35 раз. Если же щель ограничивает разрабатыва-
разрабатываемый блок породы только с одной стороны, то и в этом случае
ожидаемый прирост эффективности достаточно высок и состав-
составляет около 10% энергии взрыва.
Более интенсивное дробление породы при взрыве с экраном
достигается за счет частичного использования энергии, непро-
непроизводительно расходуемой при деформировании в зажатой среде.
Достаточно сказать, что температура среды, расположенной
между зарядом и экраном, заметно ниже своих значений при
взрыве в монолитной среде.
В заключение следует отметить принципиальную возможность
управления разрушающим действием взрыва с помощью предвари-
предварительной подготовки массива путем создания незаполненных эк-
экранов, нужным образом оконтуривающих взрывной источник. При
этом добавим, что создание экранов большой протяженности -
дело трудоемкое, требующее значительных затрат, которые
окупаются только в случае проведения взрыва дробления до-
достаточно большого масштаба.
5.3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
СРЕДЫ ПРИ ВЫХОДЕ ВЗРЫВНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ
НА СВОБОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
Исследование эффектов, связанных с дополнительным воз-
воздействием на среду при выходе взрывного возмущения на
ближнюю к заряду поверхность экрана, значительно упрощает-
упрощается, если из суммарного движения среды в волнах нагрузки и
159
разряжения вычесть составляющую, обусловленную прямой во
ной сжатия. Этого удается добиться с помощью приема, к
рый используется при изучении динамических явлений в пр
варительно напряженной среде. й
Схема эксперимента. В некотором ограниченном объеме мат©
риала путем статической нагрузки запасается механич
энергия. Затем в течение малого промежутка времени в мат
риале организовывается свободная поверхность. Последнее в
зывает распространение волны разгрузки в исследуемом объе
причем амплитуда волны определяется величиной предварительна
запасенной энергии. Разгрузка приводит к взрывоподобнонс
движению и, как следствие, к разрушению среды. Наблюдаемы
процессы сродни происходящим при выходе взрывной волны ежа
тия на свободную поверхность. Прямая волна сжатия моделир^
ется в этом случае ступенчатой нагрузкой с нулевой массово
скоростью, а волна разгрузки является аналогом отраженно
волны. При такой постановке эксперимента удается выделить .;
чистом виде эффекты, связанные с влянием самой свободной пс
верхности.
Взрывоподобное движение среды при освобождении предвар
тельно запасенной энергии и Сопутствующее ему разрушение н
посредственно связано с явлением самопроизвольного разруи
ния, которое наблюдается в природе в виде горных ударов. V
следование указанного процесса в лабораторных условиях 31
чительно облегчается в случае специального выбора материг
среды: материал среды должен быть предрасположен к быстро
разрушению при резком изменении напряженного состояния лк
просто интенсивном нагружении. При этом желательно зна
насколько эффекты определяются энергией, накопленной в
мой разрушающейся среде, и отдельно в подстилающих и на
гающих слоях. В лабораторном эксперименте эти эффекты мож
разделить и выявить их влияние по отдельности.
Возможность исследования динамики процессов разрушения
разлета разрушенной среды в контролируемых условиях нагруж
ния с помощью электромагнитной методики измерения массов1
скоростей и измерения проводимости среды во времени являет
преимуществом лабораторного эксперимента.
В качестве материалов с ярко выраженной способностью
интенсивному (взрывоподобному) разрушению при скачкообразна
изменении напряженного состояния использовались кани
прессованный тиосульфат натрия (плотность около 1600 кг/м*,
скорость звука 3500 м/с). |
Опыты проводились в плоской и цилиндрически симметрично
постановках. Цилиндрический вариант разгрузки был выбра
вследствие устойчивой симметрии поля массовых скоростей,
также - большей интенсивности процесса разрушеня и разлет
материала.
Перед проведением измерений определялись оптимальные
точки зрения интенсивности разрушения размеры образца Out
160
рис* 5.10. Максимальная массовая скорость
в канифоли 1, 2, 4 и тиосульфате 3:
I - самопроизвольное разрушение; 2
принудительное разрушение; 3 ~ принуди-
принудительное инициирование; 4 - при использо-
использовании мягких прокладок
г-а. см
нейные в плоском случае и высота, внешний радиус Ъ и радиус
внутренней цилиндрической полости а в цилиндрической поста-
постановке) и пороговое нагружение Рп, начиная с которого был
возможен процесс самопроизвольного разрушения (потеря устой-
устойчивости системы). В плоском случае взрывоподобное разрушение
канифоли (хотя и незначительное по объему разрушающегося ма-
материала) наблюдалось при нагрузках 20 МПа. При опытах в ци-
цилиндрической постановке Рп составило для канифоли 50 МПа,
для тиосульфата натрия - 20 МПа.
Взрывоподобное разрушение изучалось как при самопроиз-
самопроизвольном, так и в случае принудительного инициирования про-
процесса (применение сдерживающей преграды, разрушаемой при до-
достижении заданной нагрузки). В целях стабилизации процесса
по величине предварительного нагружения и облегчения синхро-
синхронизации регистрирующей аппаратуры основное количество опытов
проводилось с помощью принудительного инициирования.
Разрушаясь при освобождении подпора, вещество двигалось
к оси симметрии, плотно заполняя собой цилиндрическую по-
полость. Интенсивность процесса определялась запасенной в
результате предварительного нагружения энергией
- плотность материала; Уов - объем образца.
Результаты измерения массовых скоростей представлены на
Рис. 5.10 в виде зависимости максимальной массовой скорости
8 волне разгрузки vo от радиального расстояния г. В несколь-
нескольких экспериментах удалось зафиксировать величину vb в кани-
канифоли при разгружении без применения сдерживающей преграды.
161
г, нс
О
1
Рис 5.11. Длительность волны разгрузки в j
ли при самопроизвольном G) и принудите*
B) инициировании
ИГ*
3
г/а
Оказалось, что массовые скорости примерно одинаковы в сл|
ях самопроизвольного разрушения и разрушения с применен
преграды (в обоих случаях предварительное нагружение xaj
теризовалось одной и той же величиной Ра - 50 МПа). f
Полученные зависимости vo (г) хорошо описываются фору
- vio(a/rK,
С
2 м/с для тиосульфат
5.1
где Ум ¦¦ 10 м/с для канифоли и
Длительность волны разгрузки т приведена на рис.
составляет в среднем около о * 10~4 с.
Поскольку длительность волны существенно превышает в
пробега возмущения по среде (около 10'5 с), можно счи1
что по радиусу скорость распределена также согласно зав
мости E.5). Тогда кинетическая энергия среды в момент
стижения максимальных скоростей
Е
к
Роa2viо
4(Ь2- а2)
1
и составляет 1-2% запасенной энергии ен.
Представляет определенный интерес рассмотрение влш
жесткости налегающих и подстилающих слоев на формирующ
процессе разлета материала движение. Для этого провод
опыты, в которых исследуемый блок канифоли помещался
двумя резиновыми шайбами, вырезанными из литой черной peg
толщиной 4*10~2 м. Результаты измерения массовых скоро*?
полученные при нагрузке 50 МПа, также приведены на рис.
(пунктир). Видно, что применение мягких прокладок практ?
ски не сказывается на амплитуде волнового движения матер
при разлете. ¦
Изучение разрушения материала с помощью контактных да
ков позволило установить годограф фронта разрушения, pad
ограняющегося по среде при разгрузке материала. Резуль
эксперментов приведены на рис. 5.12. Из рисунка видно,;;
фронт разрушения материала отстает от вступления волны I
I Л
162
рис 5.12. Годограф вол
фронта разрушения B,
вольном разрушении B
3 - эксперимент)
разгрузки (У) и
при самопроиз-
чет по модели;
10 -
О
1
2 г-
-2
режения, причем с хорошей точностью можно считать, что мак-
максимальная скорость движения материала достигается при его
разрушении. Скорость распространения фронта разрушения
вообще говоря, падает по мере продвижения в глубь материала
среды. Однако с точностью до разброса экспериментальных дан-
данных можно считать, что в основной области движения скорость
распространения разрушения в среде постоянна и составляет
500 м/с.
Схематизируя явление, будем предполагать, что в момент
разрушения в материале достигается предельная деформация
Время достижения деформации с * определяется условием
¦ - (г - а)/ЛГф.
Максимально упрощая оценки, будем считать, что в началь-
начальный момент времени (радиус фронта разрушения Rp совпадает с
радиусом незаполненной цилиндрической полости а) распреде-
распределение радиальной деформации в среде с (г) носит степенной
характер
er(r) =
- а)
E.7)
где bt - некоторый предельный размер области разрушения ма-
4
териала среды. В частности, при модельных экспериментах за
величину йф можно принять внешний размер цилиндрического
образца. Ввиду локализации деформации расширения вблизи
свободной поверхности степень пр должна быть достаточно
высокой.
Принятое упрощенно-формальное описание процесса количест-
163
венно отражает тот факт, чтз материал, расположенный в гл
бине, энергетически более удален от разрушения, чем мате(
ал, находящийся у свободной поверхности.
Запишем баланс энергии в виде
E.8)
где е, - 0,5 pov^ - кинетическая энергия единицы объема м;
риала в момент его разрушения t - t+\ Oq, - доля начальн
энергии ен, расходуемая на процессы, не связанные с дисс
пацией; et - уменьшение запаса энергии в результате упру]
го деформирования материала среды.
Из E.8) с привлечением E.7) получаем
Ц2
vb(r) -
рь
[е ,
1 -
г 12йР
. E.!
Из последней зависимости следует, что скорость движеп
свободной поверхности (г - а)
E.И
С другой стороны величину Ую легко определить, запись»!
условие на стационарном фронте разрушения без г
ния. В результате имеем
vio
E.11)
I;
где <г - нормальное к фронту нагрузки напряжение, причем
(Г =¦ ¦
ч
Сравнивая между собой E.10) и E.11), получаем
- v7(l-v)a.
E.1
Результаты оценок максимальной массовой скорости в срм
по формуле E.9) с привлечением E.12) приведены ниже (
совместно с экспрементальными значениями Vo для некото!
расстояний г (Р - 50 МПа для канифоли, Р - 20 МПа для Т
сульфата натрия). В качестве е * выбирались значения 0,6
для канифоли и 0,05% для тиосульфата натрия, rtp «¦ 5.
Максимальные массовые скорости при разлете среды
5,2/0,7
3,5-5/0,85
102
2,4/0,3
1,5-2,5/0^
, м/с 12/1,6
Vo, м/с 9-10,5/1,7-2,5
Примечание. В числителе приведены данные для
в знаменателе - тиосульфата натрия.
164
рис 5.13. Гранулометрический
нифоли, разрушенной в плоской
грузки:
I - р - 150 МПа; 2 - 50 МШ
состав ка-
волне раз-
Intn
о
1
0
-1 ¦
-2 ¦
-5 •
-6
о/
•о'
/
О
1 1
о/
о/У
0-1
•-2
1 I t i
-J -2' -1
0
1 2 3
1пх,[*]=мм
Формула E.9) описывает максимальную скорость движения на
разном удалении от свободной поверхности с вполне удовлетво-
удовлетворительной точностью, что в свою очередь подтверждает допу-
допустимость сделанных предположений.
Приведенное рассмотрение не зависит от геометрии изучае-
изучаемого процесса. Это позволяет в принципе определить размер
зоны разрушения Ьф при отсутствии жестких граничных условий,
задаваясь критической скоростью v*, при достижении которой
е(г)
с способен разрушаться. Действительно,
E.7) в i
ела/г)*"*
мнимая зави-
получаем
E.13)
Конкретное значение Ь+ устанавливается отдельно для каж-
каждого матерала на основе экспериментальных оценок величин
Основные закономерности разрушения изучались при плоской
волне разгрузки. В частности, проводилось определение грану-
гранулометрического состава разрушенной в результате разгрузки
165
10
8
Рис. 5.14. Зависимость относительного обье
разрушенной канифоли от приложенной
грузки
t
50 100
канифоли. Было установлено влияние величины предварительно
нагрузки на степень дробления материала. В качестве пример
на рис. 5.13 приведены гранулометрические составы разрушей
ного материала для некоторых Р. Из рисунка хорошо видно, ч|
увеличение предварительной нагрузки приводит к более интев
сивному дроблению среды (средний размер отдельности в разрц
шенном материале уменьшается) и более равномерному дробл*
нию. Здесь следует отметить, что приведенные на рис. 5.
данные соответствуют рассеву равных по величине объемов *
териала, взятого из прилегающей к свободной поверхности
ласти. Это существенно, так как увеличение общего обь
разрушенного материала при увеличении нагрузки приводи"
появлению более крупных фракций в глубине среды, ухудшаю!
интегральные характеристики дробления материала. Для прим
на рис. 5.14 приведен объем зоны разрушения Уф, отнесен]
к объему разрушенного материала при Р « 50 МПа, когда э
разрушения в точности совпадает с половиной сферическ
объема с центром в центре освобождающейся поверхности
радиусом, равным радиусу обнажения.
Полученные в результате экспериментов зависимости сред?
го размера отдельности <jc> и параметра дисперсии грансостг
п от давления Р представимы в виде
<х> - 2,4- 10-aP-w м, я - 0,052Р
0,17
где Р - давление, Па.
Рассмотренные в настоящем параграфе эффекты являются
солютными и описывают качественно и в какой-то мере коля
ственно влияние незаполненного экрана на гранулометрическ
состав разрушенного при взрыве материала среды. Глубина рг
рушения среды в экспериментах по самопроизвольному разруа
166
вию определяет характерный размер области изменения грануло-
гранулометрического состава взорванной массы вследствие экранировки
взрывного источника - области влияния экрана.
5.4. МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОЙ
СРЕДЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ДЕФЕКТАМИ
Количественное описание процесса разрушения твердой среды
при взрыве - задача не простая, требующая рассмотрения цело-
целого ряда вопросов, связанных с нагружением и деформированием
среды в динамике. Распространенная постановка задачи о раз-
разрушении твердой среды, постулирующая в качестве критериаль-
критериального какое-либо предельное напряженно-деформированное со-
состояние (достижение прочности на отрыв, сдвиг и т.п.), при
переходе к динамике требует привлечения дополнительных све-
сведений о характере и количественном изменении критерия разру-
разрушения в зависимости от скорости нагружения, вида напряжен-
напряженного состояния, а также степени деформирования конкретно
рассматриваемого элемента среды. Последнее приводит к необ-
необходимости рассмотрения дополнительных, зачастую весьма тру-
трудоемких задач механики деформируемого твердого тела. Помимо
этого сложность построения математической модели разрушаю-
разрушающейся среды при таком подходе ограничивает возможности ко-
количественного описания интенсивности разрушения твердой
среды в конкретных, интересных с практической точки зрения
случаях.
Другим, не менее распространенным подходом к описанию
разрушения, позволяющим в какой-то мере оценивать степень
нарушенное™ твердой среды при взрыве, является рассмотрение
процесса распространения системы взаимодействующих трещин.
Указанный подход весьма перспективен с точки зрения построе-
построения точной математической модели разрушения. Однако получить
таким путем функциональные зависимости, которые позволяли бы
проводить количественные инженерные оценки, в настоящее вре-
время не представляется возможным.
Предлагаемая модель описывает интенсивность разрушения
твердой среды при динамических воздействиях взрывного харак-
характера на основе аналитического описания без конкретизации ме-
механизма разрушения и может быть использована для практиче-
практических оценок трещиноватости и блочности горного массива, раз-
разрушенного взрывом. Реальный массив горных пород представлен
в виде иерархической системы блоков. Предполагается, что
промежутки между блоками, заполненные слабосвязанным по
сравнению с горной породой материалом, являются преимущест-
преимущественными путями распространения зародившихся трещин.
Для построения аналитической модели воспользуемся следую-
167
щими представлениями о среде и характере распространен!]
трещин. Предположим, что первоначально среда содержит в се(
скрытые дефекты, равномерно распределенные по объему. Одвд
временно будем считать, что зародившиеся в результате дивд
мического воздействия трещины распространяются по среде i
по магистральным направлениям, как это принято считать, а <
дефекта к дефекту. Таким образом трещины блуждают по сред
выдерживая в среднем некоторое выделенное, например, вело)
ствие геометрии деформирования, направление.
Такой подход позволяет привлечь для описания миграции 05
дельной трещины в пространстве вероятные представления и,
частности, схему случайного блуждания. В случае блочнй
структуры в качестве дефектов выступают участки пересечен*
граней соседних структурных элементов.
Будем рассматривать задачу применительно к взрыву сфер
ческого, либо цилиндрического заряда, когда фронт распр
страняющихся в пространстве трещин представляет собой сф)
рическую (цилиндрическую) поверхность, а выделенное й
правление совпадает с радиальным.
Рассмотрение начнем со случая дискретного блуждания, и
нимая под шагом процесса отдельный акт распространения ту
щины от дефекта к дефекту. Обозначим: Лг - кратчайшее р
стояние между скрытыми дефектами в среде; с\ - скора
распространения трещин в среде.
Пусть на некоторой поверхности s0, расположенной на (
стоянии Ло от центра взрыва, в результате динамического
гружения материала возникло N+ трещин. Вероятность того,
шаг дискретного блуждания приведет отдельно взятую rf
у к произвольной поверхности s, следует выбрать в виде
N(s. к)
s, к
где N(s, к) - количество трещин, достигших поверхности
результате к шагов. Под поверхностью 5 здесь понимается я
верхность, коаксиальная с so.
Далее мы будем строить формализованную аналитическую *
дель, опуская рассмотрение причин, вызывающих ту или ин
закономерность миграции отдельной трещины. Вероятность то
что трещина, достигшая в момент времени t поверхности s ;
стигнет за время Ы "соседней" (более удаленной от s0)
верхности s + As, определяются скоростью с\ и углом ост, 1
которым трещина выходит с поверхности 5. Факт достиже!
трещиной более удаленной поверхности s + hs за один шаг!
традиции будем называть "успехом". ,
Переходя к пространственному представлению и. предщ
гая, что все возможные направления распространения трещи
равновероятны и ограничены телесным углом 2л @ < <Хт < тг,
запишем вероятность успеха Р« без учета возможного по)
щения трещин в результате пересечения в виде
168
<Р^ *= 27r(ArJtg2oc1|[ - телесный угол, распространяясь внут-
внутри которого трещина достигнет за один шаг соседнего > дефекта,
расположенного в точке пересечения рассматриваемого радиаль-
радиального направления и поверхности s + As.
Следует подчеркнуть, что величина <р* определяется не
только плотностью скрытых дефектов, но также сечением "за-
"захвата" дефекта (его размером).
Полной вероятностью успеха Рщ назовем вероятность дости-
достижения трещиной соседней поверхности s + As за один шаг с
учетом поглощения трещин при пересечении. Явное выражение
для Ръг можно получить, предполагая, например, что трещины,
не достигшие поверхности s + As в результате одного шага,
попарно пересекаются, образуя в каждом случае пересечения
одну трещину, а вероятность достижения поверхности s + As
для образовавшихся при пересечении трещин близка к единице.
В этом случае можно записать
?
<1 - P*i) - -j- + ~4i- <5Л5>
?
Так как блуждание трещин происходит в пространстве, суще-
существует по крайней мере шесть независимых направлений возмож-
возможного перемещения вершины индивидуальной трещины. В нашем
случае (Or <"тг/2) таких направлений не менее пяти. При этом
относительное количество соседних дефектов, расположенных в
пределах одной поверхности sf составляет величину Эт ~ 4/5.
Случайное блуждание в пространстве не поддается простому
аналитическому описанию. В целях упрощения расчетной модели
сведем задачу о блуждании в пространстве к блужданию объек-
объекта исследований вдоль прямой. Фактически это было сделано
при введении вероятности успеха в выделенном направлении
в2. Действительно, рассматривая, направление в качестве
выделенного и задаваясь вероятностью успеха для продвижения
в положительном направлении (от центра взрыва) в виде
EЛ 5), мы заменяем задачу о блуждании трещины в простран-
пространстве задачей о дискретных переходах вершины трещины вдоль
прямой, совпадающей с выделенным направлением. При этом
переходы вершины на каждом шаге следует рассматривать как
независимые с положительной вероятностью наступления успеха
Р*г. Дополнительное событие, имеющее вероятность A -
состоит в том, что вершина трещины не перемещается в поло-
положительном направлении (требование к возвращению вершины
трещины на один шаг отсутствует). С учетом сказанного за-
запишем конечноразностное уравнение для Р , в виде
S,fC
р
Первое слагаемое в правой части уравнения E.16) в пояс-
169
нении не нуждается. Второе слагаемое, в соответствии с
ремой о сложении вероятностей, описывает возможный про»
трещин со стороны дефектов, расположенных на соседних д
чах. Значение параметра /Зт в случае дискретного блуждани|
как мы убедились близко к единице. ;
В пределе А* —*¦ 0 дискретный процесс блуждания переход
в непрерывное движение, причем с достаточной для практв
ческих оценок точностью /Зт —> L Переходя к функциональна
обозначениям, перепишем E.16) в виде
t + Lt) ~ РъгРЛг-Lr, t) + <l-A2)A(r, 0,
отсюда, разлагая функции от / + А/ и г - Аг в ряды Тэйлора
сохраняя в разложении члены не выше второго порядка,
лучаем
E.Г|
- -2vB -^ + />в -
8t дг дг2
где vB
*¦-*
iV(r, t)/N0; N(r, t) - суммарное количество трещин, |
стигших координаты г за время L
Уравнение E.17) представляет собой уравнение Фоккера
Планка, описывающее плоскую диффузию при наличии течения1
скоростью vB. Таким образом удалось существенно упроспг
аналитическое описание предложений физической модели, г
скольку, несмотря на пространственный характер блуждав!
трещин, модельное уравнение E.17) формально совпадает;
уравнением плоской диффузии для суммарного количества трещ
на произвольной поверхности sir). Отметим, что предложен?
аналитическое описание процесса распространения трещин в
личие от классического диффузионного процесса более оправр
но физически, поскольку применительно к протяженным трещин
трудно подобрать какой-либо параметр, с помощью котор
можно было бы характеризовать первоначальную концентращ
объектов исследования в ограниченном объеме среды в предг
ложении их дальнейшего распространения в пространстве. ;:
Приближаясь к физической модели взрывного разрушения
ды, будем считать трещины плоскими, а изменением трещино!
тости среды на фиксированном расстоянии г, вследствие пе"
носа массы, пренебрежем (vB ~ 0). 'В этом случае трещино
тость среды А (г) при взрыве как сферического, так и цили
рического заряда выразится в виде
170
Mr) - Mr, t)&nnt
a для определения функции N(r, t) получаем следующую смешан-
смешанную задачу
dNiUl! ш Dn d*Nirtt) EЛ8)
dt в аг2
dN(L,t)
N(Roi *¦/ — ^*> о
0 ; E.19)
0; N(r, 0) - No * const,
E.20)
вде No - 2я7?]((Ло; Ло - начальная трещиноватость массива гор-
горных пород.
Предельное условие на границе г — Яф в случае ограничен-
ограниченного во времени процесса (каковым и является разрушение при
взрыве) означает невозможность скачкообразного завершения
процесса распространения трещин ч (скорость распространения
фронта разрушения по вполне понятным причинам стремится к
нулю по мере приближения к границе зоны разрушения).
Применяя метод Фурье, определяем собственные значения
краевой задачи E.18), E.19)
п
R.-Ro У г = Ь 2, 3, ..., п
м
ч
и соответствующие им собственные функции
/. = sin ц (г - Ло), i = 1, 2, 3, ..., п.
В результате решения смешанной задачи E,18) - E.20)
получаем
оо sin
% t) - N+ - -?~<АГ+-ЛГ0) 2 J77I—— е" ' в . E.21)
Для оценок остаточной нарушенности массива (t —*• т +
+ Rjc), где с - скорость звука в среде; т - длительность
взрывного воздействия), как будет показано ниже, достаточно
ограничиться первым членом суммы. В этом случае трещино-
трещиноватость массива представима в виде
* 1 - -^sin ч- \-L=EsL- exp
2Яг Я { JVJ I R+-R0
E.22)
171
<х>.м
Г,М
О
Рис 5.15. Средний размер отдель-
отдельности в среде при крупномасштабном
подземном взрыве:
1 - расчет при Rq - 15 м, R+ -
- 80 м, ЛГ0 - 166, D* - 6000 м/с;
2 - то же» на основе зависимости
D.20); 3 - эксперимент
Рис 5Л 6. Средний размер от;
ности в среде в момент окон*
взрывного движения (взрыв з|
массой 4-10 кг в канифоли):
1 - расчет при До " 0,02 м;
600
о, i
¦ j
- 10 м/с; 2 - расчет по D.20);
эксперимент
Л.
г, W ~2м
Ю
Рис 5.17. Зависимость трещинова-
тости среды (взрыв в канифоли)
от времени с момента взрыва:
1 - 10 с; 2 - 18 с; 3 • 48 с
Рис 5.18. Годограф взрывной ш
G) и фронта разрушения B, J):
B - расчет по модели;
римент)
Полученная расчетная модель использовалась для оценок
трещиноватости взорванной массы. В качестве примера на
рис- 5.15 и 5,16 представлен средний размер отдельности
<х> = 1/А с расстоянием г для крупномасшабного и модельного
взрывов. Для сравнения на этих же рисунках представлены
результаты экспериментального исследования остаточной блоч-
ности среды, полученные выше. Сравнение экспериментальных и
расчетных результатов говорит о возможности использования
зависимости E.22) для практических оценок остаточного
состояния массива при соответствующем выборе параметров
модели. При этом следует отметить, что отличие коэффициентов
диффузии для модельного и крупномасштабного взрывов соот-
соответствует масштабным особенностям взрывного разрушения,
поскольку зафронтовой характер разрушения при взрывах малых
зарядов означает применительно к диффузной модели более
высокую степень блуждания трещин по сравнению с крупно-
крупномасштабным воздействием.
Применим диффузную модель для описания динамических ха-
рактеристик процесса взрывного разрушения. В частности, на
рис. 5.17 представлена трещиноватость среды А при взрыве для
разных моментов времени, вычисленная с использованием
E.21). Характер зависимости А (г) позволяет выделить фронт
разрушения, за координату которого можно принять кооординату
перечисления касательной к кривой Л (г) в точке, где про-
производная 32Л/Зг* принимает максимальное значение, с осью аб-
абсцисс. Полученный таким образом годограф фронта разрушения
представлен на рис. 5.18 совместно с экспериментальной [68]
зависимостью Лр@, где RP - радиус фронта разрушения.
Помимо чисто взрывного источника энергии динамический
процесс разрушения твердой среды может быть вызван предвари-
предварительным накоплением механической энергии в некотором ограни-
ограниченном объеме с последующим скачкообразным изменением напря-
напряженно-деформированного состояния среды. Взрывоподобный ха-
характер указанного процесса позволяет использовать для описа-
описания диффузную модель разрушения. Так же, как и в случае
взрывного воздействия, предложенная расчетная модель поз-
позволяет оценивать степень нарушенности среды со временем, а
также годограф фронта разрушения.
В качестве иллюстрациии на рис. 5.12, совместно с экспе-
экспериментальными результатами, представлен вычисленный с ис-
использованием настоящей расчетной модели годограф фронта раз-
разрушения для процесса самоподдерживающегося разрушения в слу-
случае осевой симметрии (схлопывание цилиндрической полости при
нагружении). Под величиной Rq в данном случае подразумевает-
подразумевается радиус первоначально незаполненной цилиндрической полости
(радиус поверхности первоначального возникновения трещин).
В заключение следует отметить, что предложенная в настоя-
настоящей работе модель разрушения имеет описательный характер, в
связи с чем не претендует на объяснение физических процес-
173
сов, сопутствующих нарушению твердой среды при динамичг
воздействиях. Несмотря на это, лежащие в основе модели
ставления о характере блуждания трещин, а также налет
первоначально монолитной среде скрытых дефектов, pacni
ние которых определяет конкретный путь миграции отд>
трещины, могут представлять определенный интерес при
строении теории динамического разрушения с учетом имею!
в среде ослаблений, определяющих дискретный характер д;
ния материала (размер отдельности, как это следует из mi
разрушения, должен быть кратным расстоянию между дефек
в нашем случае - размер блоков, составляющих массив го]
пород).
5.5. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ДЕФОРМИРОВАНИИ БЛОЧНЫХ СРЕД
Будем представлять реальный массив горных пород в .
совокупности иерархически соподчиненных структурных эле*
тов (блоков), разделенных пространственно протяженными а
стями ослаблений. При этом в качестве границ структур
элементов могут выступать как зияющие (незаполненные) тй
нические разломы и трещины, так и линеаменты (как част
случай - заполненные трещины и разломы), тело которых х
теризуется более высокой сжимаемостью и меньшей по сравне
с горной породой прочностью. И в том и в другом случае "
физическая среда на каждом из иерархических уровней мс
быть представлена в виде совокупности перемежающихся уч
ков некоторого объема V. (i - 1, 2, 3, ..., л), характера
ющихся разными физико-механическими свойствами.
Ранжирование структурных элементов среды естественно
водить с учетом имеющихся в горном массиве структурных
шений. Наиболее крупный структурный блок, в пределах к
го мы будем рассматривать наиболее значимые необратимые
явления подземного взрыва, отнесем к нулевому рангу п ¦
Составляющие его структурные элементы, разделенные наибе
крупными (в пределах блока нулевого ранга) нарушениями,
разуют блоки первого ранга (п = 1) и т.д. (рис. 5.19). Та
образом, каждому структурному элементу геофизической cpi
допустимо присвоить ранг л * 0, 1, 2, ..., N, вде N - |
бина иерархического деления. При этом кластер в виде ией
хически соподчиненной структуры блоков рангов п + 1, п 4
..., N выступает в роли самостоятельного структурного ?|
ранга п и одновременно является подчиненным структуре
элементом блока ранга п - 1.
Сформулированная таким образом модель иерархичес
структуры реальной геофизической среды включает блоки рЦ
?
п «¦ 0, 1, 2, ..., N и области, ослабления прочности породу
массива (промежутки между блоками разного ранга). Принез
174
а
6
77=0
77=/
77=2
Рис. 5.19. Схема ранжирования структур:
а-л-О;0-л-1;в-л-2
пределах каждого кластера среда существенно гетерогенна и
включает области V. с различными механическими свойствами
(блоки горной породы, кластеры более высокого ранга, про-
промежутки между блоками).
Математический аппарат для описания процесса деформирова-
деформирования сложной блочной системы в настоящее время не разработан.
Способы усреднения деформационных характеристик по простран-
пространству (приближение однородной сплошной среды) не позволяют
описывать локальные подвижки при взрывном деформировании
блочной среды. Это приводит к необходимости разработки спе-
специальных приемов описания процессов деформирования и разру-
разрушения реальных породных массивов при внешних воздействиях.
Основные особенности деформирования блочной среды, и в
частности, составного структурного элемента произвольного
ранга п, определяются, во-первых, деформационными и прочно-
прочностными характеристиками отдельных его частей (блоков и про-
промежутков между ними), а во-вторых, характером формоизменения
его кластеров. В зависимости от параметров внешнего воздей-
воздействия формоизменение структурных элементов, составляющих
конкретный кластер, может быть согласованным либо несогласо-
несогласованным. В зависимости от этого состояние кластера в данный
момент времени t можно определить как консолидированное либо
неконсолидированное [33].
Полагая, что по мере возрастания деформации сначала реа-
реализуются консолидированные состояния структурных элементов
всех уровней, выделим следующие основные этапы деформирова-
деформирования структурно неоднородных сред.
Первый этап - обратимое формоизменение структурных бло-
блоков. На этом этапе деформирование составных структурных
элементов происходит при согласованном (Ьоомоизменении всех
составляющих его частей в пределах упругости и без наруше-
нарушения сплошности соеды. Возника
ности среды, возникающие вследствие неоднородности
среды концентрации напряжений полностью определены Внешним
175
а
/
I i ¦ 4
f 1F * *
¦ *** ¦
-¦ "V
¦. *•
•ис 5.20. Этапы деформирования неоднородной среды:
: - исходное состояние; 6 - обратимое формоизменение блоков; в - не$
имое согласованное формоизменение блоков; d - несогласованное форм
гонение блоков; 1 - блок; 2 -' промежуток; 3 - пластическая несом*
[ость: 4 - несплошность)
возмущением. После снятия внешней нагрузки среда воз|
щается в исходное состояние. .
Второй этап деформирования гетерогенной среды - необр'
мое согласованное формоизменение структурных блоков. На
этапе согласованность формоизменения структурных элеме|
всех уровней достигается за счет образования областей я
стической несовместимости деформаций на границах учас*
F., отличающихся механическими свойствами (рис. 5.20). |
¦г
формирование осуществляется без нарушения сплошности ср
за счет того, что образующиеся на отдельных участках м|
прочных элементов (линеаменты, материал - заполнитель про
жутков) пластические несовместимости компенсируются упруг
деформациями других участков. Возникающие при этом внут
ние напряжения (в отличие от концентраций напряжений на
однородностях) сохраняются и после снятия внешней нагруя
В результате в гетерогенной среде возможно возникновение
ментов сил, действующих на кластеры либо отдельные струк!
ные элементы. .f
Третий этап деформирования - несогласованное формо
нение структурных блоков. На этом эатпе деформирова
структурных элементов сопровождается нарушением сил
ти среды. г
Количественное описание предложенной качественной мод
деформирования структурно неоднородной среды может быть
полнено разными способами. Приведенный ниже способ описа!
наиболее значимых с практической точки зрения второго и f
тьего этапа деформирования иерархически структуризоваш
геофизической среды основан на использовании элементов t
рии деформирования композитов [47, 53]. Первый этап ле
описывается в рамках классической упругости составных сред,
Будем характеризовать деформацию конкретного i-ro стр
турного участка произвольно взятого кластера ранга п тег
ром локальной деформации
•пи
(и)
где €
°
° и е*
- соответственно упругая и пластическая coct
176
, и тензором средней по объему i-то участка
нацией
- ё(п) = с0 + с*
i г'
^характеризующей формоизменение i-ro участка как однородного
целого. __ _ !
Здесь с. = е°; с* * е*; двумя чертами сверху обозначена
операция усреднения по объему V..
-.. Вводя в рассмотрение флуктуации упругих и пластических
.деформаций на фоне средних по макрообьему V (фактически по
"объему кластера рассматриваемого ранга п) [53]:
Ас* = е. -
ще Су. *¦ с° ш е°, е = €. ¦ е (чертой сверху обозначена
операция усреднения по объему V), записываем условие сплош-
сплошности деформируемого кластера:
i
в виде
ДеЧ + Де* = 0. E,23)
Последнее соотношение означает, что в случае возникнове-
возникновения пластических несовместимостей (Де* * 0) сплошность ере-
ды сохраняется только при возникновении упругих деформации,
величина которых be0. * - Де*. В случае невыполнения условия
E.23) (значение упругих деформаций является недостаточной
для компенсации пластических несовместностей) процесс де-
деформирования осуществляется с потерей сплошности среды:
происходит дисклинация данного кластера по одному из уровней
ослабления прочности. Следует отметить, что возникающие в
теле ранга п несплошности облегчают его формоизменение как
Целого. Это ведет к тому, что образование пластических не-
несовместностей при деформировании блоков более низкого уровня
?
to - 1) задерживается и наступает при большей деформации.
Процесс дисклинации, происходящий на конкретных уровнях
°слаблений массива горных пород, может рассматриваться таким
образом в качестве одного из наиболее вероятных механизмов
Формирования диссипативных структур в геофизической среде -
Ируктурных элементов определенного ранга пф, деформация ко-
5^2? п*)и внешнем энергообмене в значительной мере определя-
^ общую деформацию среды.
177
Отметим также,. что введенные в рассмотрение тензоры
Лс* характеризуют деформированное состояние z-ro эдеме:
отношению к деформации макрообъема (кластера в целом).
позволяет рассматривать деформацию каждого структурного
мента в терминах флуктуации Ае°, Де* по отдельности н<
симости от деформации соседних элементов [53].
Деформирование среды при взрывном воздействии явл:
одним из наиболее важных процессов с точки зрения пра
ского применения крупномасштабного подземного взрыва. В
связи наибольший интерес представляет описание движения
личных структурных элементов неоднородной среды, вообщ
воря, вне зависимости от значения достигаемых напряжез
которые сами по себе не определяют масштабы необратимых .
явлений. Вместе с тем анализ напряженного состояния позЫ
ет принять причину и установить возможные пути развития;.
или иных деформационных процессов.
По аналогии с тензорами с0, е* и Ас0 введем тензоры;
пряжений (г, усредненных по i-му участку кластера ранга ;
их флуктуацию на фоне макронапряжений <г *
где сг. - ss*; <гу - <rf,
s. - обобщенный модуль деформации, средний по учасг
Индекс I, как и ранее, характеризует принадлежность вел
конкретному участку среды. По этой причине для обознаЧ
произведения матрицы s. на тензор е° введен знак С). В;
кпытом виде произведение E.25) имеет вид: "'
X.+2G. X. X. 0 0 0
it
<Г22 X. X.+2G, X. 0 0 0
X. X.+2G. 0 0 0
0 0 0 G. 0 0
0 0 0 0 G. 0
0 0 0 0 0 Gt | |ff
178
Л. и G. - параметры упругости i-то участка среды.
Обозначая через bs. - матрицу флуктуации обобщенного мо-
модуля деформаций на фоне среднего по макрообъему sQ = 7., по-
подучаем с использованием E.23)-E.25) выражения для величин
<г„ и До\ в виде
У *
*
д<г. = ~
.. E.26)
Отсюда легко определяется велчина остаточных внутренних
напряжений (после снятия внешней нарузки: <г —*¦ 0):
Ыг = s.
*
ЛО \ii-S л!с- Р/ " lib .
E.27)
Из соотношений E.26) и E.27) следует, что возникающие
при деформировании неоднородной среды пластические несовме-
несовместности вызывают появление внуренних напряжений, которые ос-
остаются в среде и после снятия внешней нагрузки. При этом ве-
величина внутренних напряжений (в том числе остаточных) опре-
определяется не только флуктуацией деформации, но также разницей
между модулями деформации отдельных участков рассматриваемо-
рассматриваемого структурного кластера As..
Если говорить об изменчивости реальной геофизической сре-
среды под действием естественных процессов, либо в результате
возмущений техногенного происхождения, величину As. допусти-
допустимо рассматривать в качестве параметра, характеризующего ос-
ослабление (в известном смысле нарушенность) конкретного уча-
участка среды. В этом случае соотношения E.26) и E.27) позво-
позволяют прогнозировать поведение реальных структурно неоднород-
неоднородных сред при взрыве. Действительно, как это следует из
E.26) и E.27), при одинаковой интенсивности взрывного на-
гружения более сильные необратимые эффекты должны наблюдать-
наблюдаться на тех участках горного массива, где начальная нарушен-
нарушенность выше. Ниже будет рассмотрено экспериментальное под-
подтверждение сделанного утверждения.
5.6. ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ПУСТОТНОСТИ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ
НА РАЗРУШАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА
Результаты исследования изменения свойств среды при под-
подземном взрыве, приведенные выше, а также имеющиеся в литера-
литературе данные [60], показывают, что нарушенность (в частности,
йроницаемость) массива горных пород в результате взрывного
179
й
воздействя увеличивается, причем по мере падения интеноц
сти взрывного возмущения (например, с расстоянием от взр|
нарушенноеть среды монотонно убывает. Однако необходимо
метить, что, во-первых, все известные исследования нар
ности среды при подземном взрыве проводились в средах,
растеризующихся малой начальной нарушенностью, а во-в
анализировались усредненные характеристики. Экспериме
ные данные рассматривались в совокупности на основе гига
монотонного изменения параметров. Разброс эксперимента^
результатов относился за счет точности проводимых измере
и влияния случайных факторов, <
н
Более подробные исследования показывают существенную щ
начальной нарушенности среды в процессе формирования вз
ного разрушения.
¦ lr
С целью изучения поведения твердой среды, характера
ейся разной начальной нарушенностью, при взрывном 1
действии в настоящей работе ставился лабораторный эЩ
римент, в результате которого определялось изменение
ницаемости образцов после воздействя на них ударной нагр|
разной интенсивности. Эксперимент заключался в следу
Плоский образец из цементно-песчаной смеси (диаметром О,
и высотой 1,5* 10*2 м), заключенный в цилиндрическую
подвергался действию воздушной ударной волны с одного
торцов.
*)И
Ill
Ударная волна инициировалась сферическим зарядом ВВ
сой 27-10 3 кг, расположенном на различных расстояния!
поверхности исследуемых образцов. Проницаемость образце»
и после эксперимента сравнивалась между собой.
¦ L
ч
Схема проведения эксперимента (определение фильтращ
ных характеристик) представлена на рис. 5.21. Исследовал
образцы с начальной пористостью 10; 14; 18 и 22%, вы
жанные в течение нескольких месяцев. Колебание порист1
образцов одной серии эксперименов не превышало 10%. Сре,
значение коэффицента проницаемости цементно-песчаных *
разцов различной пористости До взрывного воздействия %
ведено ниже (разброс коэффициента проницаемости для од
серии образцов достигал 30% при среднестатистическом -15
т,% 10 14 18 22
ки Ю4 м2 0.7 4,3 13 31
Результаты экспериментов представлены на рис. 5.22 в
де зависимостей Lk/ki OP*), где Lk - изменение проницае*
ти образцов в результате взрывного воздействия,
180
й/L о/
320
/60
80
О
-10
-20
2
*/
10,0 20 40 fOOtO
Рис. 5.21. Схема фильтрационных ис-
испытаний высокопористых образцов:
I - емкость с газом; 2 - вентиль;
3 - компенсатор; 4 - расходомер;
J - испытуемый образец; б - обойма;
7 - манометр
Рис 5.22.
образцов
воздейств!
тости 100
[змененне проницаемости
результате взрывного
при начальной порнс-
14B), 18E) и 22% D)
чальная проницаемость, Рф - давление в отраженной ударной
волне.
Приведенные на рис. 5.22 результаты наглядно дем<
ют немонотонный характер изменения проницаемости с ростом
взрывной нагрузки. Несмотря на качественный характер прове-
проведенных опытов, можно сделать заключение о возможности уплот-
уплотнения высокопористой среды при интенсивностях импульсного
воздействия ниже некоторой критической величины. Из рис,
5.22 также следует, что в менее плотных (более пористых)
средах степень уплотнения может быть выше.
Природа немонотонного изменения фильтрационных свойств
высокопористой среды под воздействием динамической
различной интенсивности заключается, по всей видимости, в
различии механизмов деформирования скелета при малых и
больших нагрузках. Действительно, если малые нагрузки при-
еформации скелета без разрушеня последнего, то при
х воздействия выше предельной величины деформация
скелета. В первом случае
>дит сужение изначально имеющейся проницаемости сре-
_*- более проницаемых
водят к
среды
каналов, связанных с областями разрушения скелета.
Исследование влияния начальной пустотности
массива горных пород на разрушающее действие взрыва прово-
проводилась в натурных условиях. Породный массив сложен вул-
гбазовые порфириты, линарит-
181
порфиры) нижне-каменноугольного возраста. В пределах
сматриваемого породного массива широко развиты трепа
(тектонические и петрогенетические) различного масшт
Трещинами массив разбит на структурные блоки разных ра$
ров и иерархических порядков. Наиболее мелкие блоки щ
деляются разветвленной сетью петрогенетических трещину
средний объем в невыветрелых породах составляет oi
0,2 м3, а в зоне коры выветривания - 0,04 м3. Объединяв
эти блоки образуют следующий структурно-иерархический
вень - блоки, границами которых служат тектонические
щины. Средний размер этих блоков приближается к 100 тыс!
Эксперимент включал два этапа: первый - взрыв полусфв
ческого накладного заряда ВВ массой 500 т (средняя плотн|
790 кг/м3) на поверхности ненарушенного породного маса)
второй - взрыв такого же заряда на дне воронки, образов
ной первым взрывом. Цель эксперимента - изучение мех$
ческого действия взрывов на горный массив. В резуль|
сейсмопросвечивания массива горных пород в начальном ¦
стоянии и после каждого из взрывов удалось установить |
мер и конфигурацию участков, отличающихся по скорости |
пространения сейсмических волн. При этом удалось устано»
изменение скоростей распространения сейсмических волн)
каждом из участков в результате первого и второго взры]
Полученные таким образом данные позволяют оценить наруп)
ность (пустотность различных участков горного массива д«
после взрывов. Пустотность породного массива 7) определял
согласно зависимости ("формула среднего времени")
CQ-C1
с
с
- 1
где со, Ci и с - соответственно скорость распространи
возмущений в горной породе, заполнителе промежутков ме.
блоками и в массиве. В данном случае величина с выступав
роли параметра, косвенно характеризующего степень нарущ
ности среды. ;
Для того чтобы выделить влияние первоначальной наруц
ности среды (для второго взрыва в качестве начального
биралось состояние среды после первого взрыва), нео6ход|
учесть фактор изменяющейся интенсивности взрывного |
действия с расстоянием от взрыва г, которая в значит!
мере определяет производимые в среде разрушения. Извест||
что вносимые в среду нарушения при взрыве определяются „
мацией среды. Остаточные деформации в среде при взр|
сосредоточенного заряда
„ Уо(г)Т(Г)
/о ~ г :
¦ ..а
где vo и т - соответственно максимальная массовая скорд
и длительность волны сжатия.
182
,5.23. Изменение относител
OCTH среды в результате п
й пустот
взрыва
1000
400
100
40
10
о
о о
0,1
0,4 1,0
что
жим образом, с известным прибл
зменчивость безразмерной ве;
г Да_
*0 f
где Ат> - т) - т)о, определяется только начальной нарушенностью
(пустостотности) среды
Результаты анализа данных сейсмопросвечивания среды при
первом и втором взрыве представлены на рис. 5.23 в виде за-
зависимости Дт) (тH), отсюда
и следовательно,
Полученное соотношение указывает на существенное влияние
первоначальной пустотности среды на величину механических
изменений, вызванных взрывом.
В результате можно сделать следующий вывод: горные мас-
массивы (либо их участки) разной нарушенное™ по-разному реа-
реагируют на взрывное воздействие. Как это следует, в част-
частности, из последнего соотношения, механический эффект под-
подземного взрыва существенно зависит от структурного строения
реальной среды.
6. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКОГО
СТРОЕНИЯ СРЕДЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА
6.1. ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРНЫХ НАРУШЕНИЙ
НА ОСНОВЕ СЕЙСМОПРОФИЛИРОВАНИЯ
Одним из основных свойств геофизической среды являет,
деформируемость. При решении большинства практических щ
связанных с переносом, накоплением и релаксацией ме|
ческой энергии в реальной среде, ее устойчивостью при |
них воздействиях, определяющей характеристикой как состо
среды, так и протекающих в ней процессов является вели
характеризующая изменение относительного положения
участков среды, в том числе и в динамике. Действительна
абсолютное смещение, ни величина действующих в среде до
жений не могут в полной мере характеризовать те изменен
среде, которые происходят в результате внешних возденет*
влияют на ее устойчивость. Известны случаи (просте
них - всестороннее сжатие твердого тела), когда при
точно высоких действующих напряжениях тело не теряет
целостности. Последнее ни в коей мере не противоречит
цепции механического разрушения твердой среды при достиж
определенной величины нормального, либо сдвигового н
жения, поскольку деформация материала среды является с
вием сформированного в ней напряженного состояния. О
характер и конкретная величина деформации определяются
можностью рассматриваемого участка среды к деформировав
Особенности поведения реальной геофизической среды
внешних возмущениях связаны с ее сильно выраженной н
родностыо: наличием тектонических нарушений разного у
определяющих блочно-иерархическое строение среды. Оси
следствием блочного строения массивов горных пород
локализация деформаций вблизи границ структурных
поверхностей и зон ослабления прочности среды [4]. Поел
объясняется большей сжимаемостью породы заполнителями
блоковых промежутков и ее низкой прочностью по сравнен!
горной породой, из которой сложены структурных блоки. ¦
До недавнего времени свойства геофизической среды
термодинамической системы рассматривались лишь в окресп$
равновесных состояний (исследование неравновесных состой)
ограничивалось рассмотрением случаев, допускающих иешхя
вание расширенных представлений равновесной термодина»
введение эффективных термодинамических параметров). Раз}
тайная акад. М.А, Садовским концепция блочного стро)
геофизической среды [54, 55, 58] потребовала примен{
качественно нового подхода к описанию поведения реала
массивов горных пород при внешних механических возмущен
184
Таблица 6.1
Классификация тектонических нарушений по ширине
Ширина
зоны
дробления,
разрыва
W
или
трещины, м
Уровни трещин и разрывов по абсолютной ширине
Л. Нейштадт
A957)
Е. Ромм
A966)
Ж. Ферран
A975)
В. Жилен ков
A975)
С. Чернышев
A983)
10
101
10°
10
* 1
10
10
-3
Очень
крупные
трещины
Макро
трещины
Макро-
Макротрещины
Крупные
Средние
Мелкие
Тонкие
трещины
Крупные
трещины
Трещины
Мелкие
трещины
Зоны
дробления
разрывов
Щели
широкие
средние
узкие
Капилляры -
Тонкие
Микро-
Микротрещины
трещины
Микро-
Микротрещины
субкапилл
Основой для такого подхода явились представления о преиму-
преимущественном деформировании геофизической среды по поверх-
поверхностям и областям ослабления прочности [4, 59] согласно
которым определяющими характеристиками процесса деформиро-
деформирования среды являются свойства структурных нарушений.
В известных классификациях структурных нарушений пород-
породного массива (табл. 6.1 и 6.2) в качестве классификационных
признаков выступают параметры: пространственная протяжен-
протяженность нарушения и его ширина. Указанные параметры характе-
характеризуют масштаб нарушения, но не определяют его механических
характеристик, существенных с точки зрения степени влияния
конкретного структурного нарушения на'процесс формирования
поля деформаций, в том числе на закономерности распростра-
распространения волн. Помимо этого представляется естественным, что
одно и то же структурное нарушение может в разной степени
оказывать влияние на процесс деформирования среды в зависи-
зависимости от характера и масштаба внешнего воздействия,
В связи с этим возникает необходимость в разработке спо-
способов ранжирования структурных нарушений геофизической среды
либо с привлечением конкретных механических свойств материа-
материала-заполнителя межблоковых промежутков, либо на основе кос-
185
Классификация тектонических нарушений по протяженности
Таблица 6.2
Протяжен-
Протяженность стру-
структурного
нарушения.
м
Уровни трещин и разрывов по абсолютной длине
по
Л. Мюллеру
A971J
по В. Рацу
A970)
по
В. Жилен кову
A975)
по
Н Красиловой
A979)
Крупные
тектоничес-
тектонические разрывы
Разломы I и
II порядка
Нарушения
10
Разрывы
Разломы
HI порядка
10
101
to1
10
10
-I
10 *
10 4
10
гигантские
крупные
Макро-
т ретины
Крупные
трещины
Трещины
мелкие
Скрытые
трещины
Микро-
Микротрещины
Микро-
Микротрещины
Дефекты
|кристалличес
кой решетки
Мег а трещины,
разрывные
нарушения
по С.
Чернышеву
A983)
Крупные и
тектоничесЧ*
кие разрывы
Макро трещины
и мезотрещины
Микро-
Микротрещины
Ультра-
трещины
Разрывы
длинные
средние
короткие
Микро-
трещины
/// /// /// /// Л
Рис. 6.1. Схема сейсмопрофилирования стенки выработки:
/ - стенка выработки; 2 - структурное нарушение; 3 - датчики;
ni^niinuiniiiao AnnflnflTvnu- s - место vnamioro возбуждения koj
4 -
Рис. 6.2. Характерная запись колебаний
венных данных. Одним из способов установления относительных
деформационных и прочностных характеристик структурных нару-
нарушений разного типа является сейсмопрофилирование стенки под-
подземной выработки. Способ основан на изменении амплитудно-
частотных характеристик сейсмических импульсов при их рас-
распространении в структурно-неоднородных средах.
В настоящей работе проводилось сейсмопрофилирование при-
прилегающих к тектоническим нарушениям (III-V порядков) участ-
участков стенок подземных выработок, пройденных в одном из горных
массивов Восточного Казахстана (Дегелсн), расположенном в
пределах Семипалатинского полигона. Схема регистрации сейс-
сейсмических колебаний представлена на рис. 6.1. Возбуждение
сейсмических волн осуществлялось ударным способом на разных
расстояниях L от тектонического разлома. В качестве первич-
первичных преобразований использовались сейсмоприемники типа СВ и
СГ, а также пьезоэлектрические акселерометры типа 4370
(Брюль и Къср). Датчики размещали с помощью резьбового
соединения на специальных установочных площадках, замурован-
замурованных в стенку выработки с шагом 0,2-1 м. Регистрация сейсми-
сейсмических волн проводилась с помощью сейсмостанции ИСН-01-24
B4 канала), либо сборки инструментальных 7-канальных
магнитофонов HR-30E. Обработка экспериментального материала
осуществлялась с помощью анализатора электрических сигналов
/ЛМ200.
Анализ сейсмограмм (характерная запись представлена на
рис. 6.2) показывает, что при прохождении через структурное
нарушение основные характеристики волны (скорость распрост-
распространения с, амплитуда v0 и частота /о, соответствующая
максимуму частотного спектра) изменяются. На рис. 6.3. пред-
представлены примеры годографов сейсмических волн, а также ско-
скорости их распространения с, полученные путем осреднения го-
годографа волны по группам датчиков, расположенных вне и на
самом нарушении № 1. Из рис. 6.3, в частности, хорошо видно,
что структурное нарушение отчетливо проявляется значительно
более низкой по сравнению с основным массивом скоростью с.
Структурное
нарушение 1 2 3 4
Порядок ...
187
t, мс г
390 /.м
Рис 6.Л. Примеры годографов (а), зав
колебаний от расстояния (б)
роста pacnpocTpani
нарушения.
Мощность . .
нарушения, м
Заполнитель .
с, м/с
/*, Гц
0,4-0,6
Глинка
трения
700-1200
615
1,5-2
Сильно-
нару-
нарушенные
основ-
основные по-
породы
600-1000
200
IV
0,02-0,03
Глинка
трения
IV
0,01
Кварцит
1650
1750
Характер изменения преимущественной частоты сейсмичес!
сигнала с расстоянием от места возбуждения демонстри|
рис. 6.4. Видно, что при прохождении структурного наруше
преимущественная частота сигналов существенно снижав
Более подробный анализ свидетельствует о том, что нарушен
"работает" как фильтр низких частот с некоторой грани«Й
частотой /ф, конкретное значение которой определяв
\
характеристиками структурного нарушения. -
С целью построения расчетной модели процесса расп рос
нения сейсмической волны в среде, содержащей структур
нарушение, и установление наиболее вероятного уравне
состояния материала, составляющего тело нарушения, расе*
рим следующую задачу. В безграничной упругой среде, |
держащей структурное нарушение в виде плоского слоя в^
оси ху нормальной к плоскости нарушения, распространяв
сейсмическая волна вида (импульс Берлаге [18])
F(x, 0
Изменение основных характеристик сейсмической волны
188
ее прохождении через нарушение связано с эффектами отражения
от границ и поглощением энергии, обусловленным неидеальной
упругостью материала, составляющего тело нарушения. Следует
отметить, что реальная слабонарушенная горная порода также
является идеально упругим материалом. Однако в сильно-
нарушенных породах, которыми преимущественно представлены
межблоковые промежутки, действие диссипативных сил прояв-
проявляется в большой степени.
Поглощение энергии сейсмической волны приводит к зату-
затуханию ее амплитуды с расстоянием. Как следует из результатов
экспериментальных и теоретических работ, более высокочас-
высокочастотные составляющие спектра волны поглощаются сильнее низ-
низкочастотных. Таким образом, по мере удаления от источника
спектры сейсмических волн становятся более низкочастотными,
что приводит к изменению формы волны, и в частности,- ее
амплитуды.
Выбор параметров поглощения основывается на предположе-
предположении, что амплитуда плоской гармонической волны убывает при
ее распространении в однородной поглощающей среде по закону
oo(jc) - At
F.2)
где А - амплитуда волны в начальной точке х « 0; а. - амп-
амплитудный коэффициент поглощения.
При падении плоской волны на слой, характеризующийся от-
отличными от окружающей среды физико-механическими свойствами,
проходящая волна представляет собой интерференционные волны,
которые образуются в результате суперпозиции волн, однократ-
однократно и многократно отраженных от границ слоя. В дальнейшем для
простоты будем рассматривать случай нормального падения вол-
волны на слой, когда отсутствуют обменные волны.
Амплитуды и временные сдвиги волн, участвующих в формиро-
формировании проходящей интерференционной волны, определяются, во-
первых, соотношением между акустическими жесткостями слоя Y\
и окружающей среды Уо, а во-вторых, отношением m/ci, где т -
толщина слоя, с\ - скорость распространения возмущений внут-
внутри слоя. Здесь
- рхс\\ УЬ -
Pi и ро - соответственно плотность материала-заполнителя
межблоковых промежутков и горной породы; со - скорость рас-
распространения возмущений в среде.
Фазовые скорости для колебаний различной частоты /, опре-
определяются отношением толщины слоя т к длине волны
т.е. являются функцией частоты.
Колебания, регистрируемые при сейсмических исследовани-
исследованиях, в частности, при импульсном сейсмопрофилировании имеют
189
Л Гц
2000
1000
О
I
400
395
390 1,м
Рис. 6.4. Зависимость преимущественной
(волна распространяется справа налево):
I - тектоническое нарушение
частоты колебаний от расстояш
конечную
ь т - пТ , где Т - преобладающий ;
риод; п - их число (п ~ 3*5). В том случае, когда времен
сдвиг между волнами Л/ = 2mlc\ > т, волны, отраженные!
разных границ слоя, не интерферируют и каждую во/
тимо рассматривать отдельно. Таким образом, при т >
слои допустимо считать "толстыми". В том случае, ка
т/Лг < 2, возможна интерференция различных волн, в связ|
чем коэффициенты прохождения и отражения волн существе!
зависят от частоты. <
Физическая природа поглощения энергии сейсмических волг
реальных средах в настоящее время изучена недостаточно.
не менее разработаны некоторые теории, позволяющие с д
точной для практических целей точностью оценивать количе
венно особенности распространения волн. Наиболее широк^
сейсмологии используется теория упругого г
(Г.М. Гуревич, Б.Н. Ивакин), в основу которой полож
представления о том, что величина действующих в с
напряжений определяется не только достигнутой к данн
моменту времени деформацией, но также деформацией; kotoj
материал среды испытывал в предшествующие моменты врем«
190
Последствие конкретного состояния среды определяется
функцией последствия <р Ш, где Го - "давность" испытанной
ранее деформации. Подобный анализ процесса поглощения сейс-
сейсмических волн в случае упругого последействия, проведенного в
работах Б.В, Дерягина A931 г.), Б.Н. Ивакина A958 г.), сви-
свидетельствуют о том, что в этом случае коэффициент поглощения
монотонно возрастает с частотой сейсмического сигнала, в том
числе при малых /. Последнее не позволяет привлекать теорию
упругого последействия к интерпретации экспериментальных
данных, полученных в настоящей работе (рис. 6.4).
Другим известным способом учета неидеальности реальных
сред при распространении реальных сред является использова-
использование в расчетах моделей линейно-неупругих сред. В указанных
моделях тензоры деформаций и напряжений связаны некоторыми
линейными соотношениями, отличными от соотношений класси-
классической упругости. Подобные модели пригодны для описания
распространения волн малых деформаций вдали от источника
колебаний, поскольку вблизи источника возмущений деформации
и их изменение во времени столь значительны, что для опи-
описания волновых движений необходимо привлекать методы нели-
нелинейной упругости и пластичности.
Для наших оценок воспользуемся наиболее предпочтительной
для описания горных пород моделью линейной вязкоупругости -
телом Бюргерса (стандартное линейное тело) [17]. В этом
случае уравнение состояния среды (в нашем случае
материала-заполнителя межблоковых промежутков) представим в
виде
?
f ff F.3)
?
Р + Тг -ff~ - -*(9 + Г4
F.4)
1 2
где Р - - -т- <г„; к - Л + -г- \х - модуль всесторон-
него сжатия; 8 - с; А и ц - постоянные Ламе; Г3 - время
релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной де-
деформации; Г4 - время релаксации деформации объема при по-
постоянном давлении Р; Т\ - время релаксации напряжения при
постоянной деформации; Тг - время релаксации сдвиговой де-
деформации при постоянном сдвиговом напряжении.
Соответствующий телу Бюргерса коэффициент затухания имеет
вид
ос(а>)
УA + 0JХ2Г2)A + (J272/X2) - A + U>2T2)
2A
1/2
F.5)
191
о
10000 cv, //с
Рис 6.5.
фильтра
итудно-частотная характеристика тектонического нарушения и
¦I изменения Т: 5#10 - 5ШЮ'5)
где
Конкретный вид функции Fi = ехр[-а(ы)/п], определяющн
поглощение сейсмической волны согласно F.5), приведен я
рис. 6.5. Видно, что в случае тела Бюргерса слой представщ
для проходящей сейсмической волны в виде фильтра низк|
частот, причем граничная частота фильтра определяется пар
метрами стандартного линейного тела.
Напомним, что для упругой среды, вмещающей нарушение
уравнение состояния записывается в классическом виде V
<г
ik
Уравнение движения среды
д2и.
Э<г.
р
1
ik
dt
д
к
в случае малых деформаций
192
С,
принимает в плоском случае вид
д2и. д2и.
,dt2, дх2
где в зависимости от рассматриваемого типа волны (продоль-
(продольная, поперечная) с принимает соответственно значения
Р„ да» о„ре_ „ранение J^
ной компоненты
получаем:
2 Ох
а уравнение состояния среды и тела тектонического нарушения
представимо в виде:
среда:
аи
Тху " ** дх
тело нарушения:
т°уA + йоО -
те
За . ди
Т° ж и JLfi.. оО _ 1 Уо
ХУ Ц 5 '
> Для тела тектонического нарушения с использованием коми
лексного модуля
F.7)
A +
Уравнение состояния записывается в виде, формально совпа-
совпадающим с F.6):
193
Таким образом с использованием комплексного модуля I
записываем уравнение движения в виде, справедливом как
среды, так и тела структурного нарушения
д2и
У 0 _
дх2 М
«S
решение которого представимо в виде (волна, бегущая впрая
и - ciexp
или с учетом D.7):
Уо
Условия на границах структурного нарушения примем в
на границе I (х « 0): х1 • т"; и1 » и"
на границе II (х - т): т" - т; ы" - ы
¦*У л/ у "у
В этом случае коэффициенты отражения волны от грант
II представим в виде
РоУо -
где комплексные скорости Vo, Vi и К2 определены coord
нием F.7). 1
ьыписывая выражение для величины смещения
заполнителе нарушения (среда II)
и111 - Xi.nXl - *ii,iu)expl-wx/p/M
,
, что при падении на границу I вол
?
У -to У
, F
структурное нарушение играет роль фильтра с комплею
спектром F.10). I
В качестве примера на рис. 6.6 приведены резулж
расчета амплитудно-частотной характеристики сейсмиче
сигнала типа F.1), прошедшего структурное нарушение (х
теристика сигнала и структурного нарушения выбирались I
ответствии с данными экспериментов). Расчет проводила!
основе модели F.3)-F.10).
194
рис
6.6. Амплитудно-частотная харак-
характер сейсмического сигнала до
и после B) прохождения тектоническо-
тектонического разлома ф = 0,5, т = 0,5 м, /о =
s 2000 Гц, со * 3000 м/с, с\ = 1000
м/с, Ро * 2800 кг/м3, р - ™лл ' 3
5 Гг = ? ^
2000 кг/м3,
-8,0
-8.5
-9,0
1,6 10 2,4 23 JJ 3,6l§F(Hz)
2000
1000
400
200
0,01 0,04 0,1
0,4 1ft т,м
Рис. 6Л. Граничная частота пропу<
сейсмических колебаний /0 = 2000 Гц G, 1
смости от эффективной ширины нарушения:
, 3 - расчет; 2, 4 - эксперимент
и /о =
2НИЯ ДЛЯ
000 Гц C. 4\ в зави-
Рис. 6.8.
муществе
при эффе
1,75 м
параметра Л от прей-
[ частоты сейсмического сигнала
ной мощности нарушения 0.5 м (П
400
200
•о
о • • <
1
¦
1
1,5
Из рис. 6.6. хорошо видно, что наличие структурного j
рушения, тело которого описывается уравнением состоя*
(б.3)-F.4), на пути распространения сейсмической волны щ
водит к падению ее амплитуды, а также существенному измй
нию частотного спектра, что находится в хорошем согласи!
экспериментом (см. рис, 6.4). В частности на рис. 6.7 прй|
дена преимущественная частота /ф прошедшего через тектони
ское нарушение сигнала с начальной частотой около 2 к
зависимости от ширины нарушения m(f+ - граничная часй
пропускания тектонического нарушения). Там же для сравнен
приведены экспериментальные данные, полученные при обслй
вании реальных тектонических нарушений. Из рис. 6.8 следу
что в диапазоне 0,2 < т < 2 м выполняется условие
const/m.
FJ
Более подробный анализ экспериментального материала
казывает, что соотношение F.12) справедливо для ши
диапазона частот fo сигнала, падающего на структ
нарушение. В качестве иллюстрации на рис. 6.8 привё
величина Л ¦= mf+ полученная в эксперименте, в зависть
от /о. Видно, что для широкого диапазона частоты падак
на структурное нарушение сигнала граничная частота пр
кания /ф с приемлемой для практических оценок точнс
представив в виде
C50 ± 50)/т, Гц.
еобходимо отметить, что приведи
ею выполнен для поперечной вол
чует из 6.7). В задаче учтены два
и Гг). Однако полученные
ливы одновременно и для
тельно, в этом случае модуль
шше расчет \
есто 4-х, ?^
к парам*
гая спр»
«пи
описания продольных волн. Дейс
A + ШТг)
ШТх)
М ш 2м
легко приводится к виду
A + ШТа)
A + ШТЪ) *
М « а
1 +
параметры задачи, являюцё
где *i и *2 определяющие
функциями Тх - Та.
. Таким образом, описание распространения продольной в
основывается (как и в случае поперечной волны) на ?^
раметрах ^i и Ф2« При этом функциональная зависимость |
ля М от ^i и Фг аналогична зависимости F.7).
196
6.2. НЕСОГЛАСОВАННОЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ
СТРУКТУРНЫХ БЛОКОВ ПРИ ВЗРЫВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Тектонические нарушения в виде разрывов, разломов, трещин
распространены в земной коре повсеместно. Как показывает
практика строительства подземных сооружений, не существует
породных массивов, представляющих собой монолитные геоло-
геологические образования. Тектонические нарушения имеют разный
масштаб: от едва заметных на глаз трещин до тектонических
разломов, которые хорошо прослеживаются не только в под-
подземных выработках, но и на поверхности горных массивов.
Наличие тектонических нарушений в массивах горных пород
способствует существенному перераспределению действующих в
них напряжений и вызываемых ими деформаций.
С точки зрения влияния на процессы деформирования и
разрушения реальной геофизической среды при подземном
ядерном взрыве интерес представляют тектонические нарушения
3-5 классов протяженностью от 10 до 10s м. Наличие указанных
структурных нарушений определяет существенно неоднородный
характер деформирования породного массива при подземном
PACIFIC OCEAN
0
1
О
1 MILES
J
т
г
з км
. Изменение расстоя
'Канникин":
энические разломы
(мм) между геодезическими пунктами при
197
I, м
i
/77, М
OJ
0,1
0,04
0,02
40
100
40
10
10
WO ZOO r/(j fm/k
60
ЛЯ7
**
Рис 6.10. Раскрытие (а) и протяженность (б) трещин, образовавшихся!
поверхности горного массива при подземном взрыве эквивалентной мощное*
около 1
взрыве: наблюдается ярко выраженная локализация наибол
крупных необратимых проявлений вблизи нарушений сплошное
среды. Более того без учета крупных тектонических нарушен
массива горных пород невозможно объяснить значительные не*
ратимые деформации, наблюдаемые при подземных ядерных взр
вах на больших эпицентральных расстояниях. :
Так, например, в результате подробных исследований, п§
веденных при подземном ядерном взрыве "Канникин" (эквна
лентная мощность заряда 5 Мт), были установлены простр*
ственные деформационные характеристики земной коры, котор
продемонстрировали существенно неравномерный харак
подвижек земной поверхности в окрестности крупных тек?
нических нарушений [79]. При этом на отдельных тектони1!
ских разломах наблюдались значительные остаточные смещен^
достигающие значения 1-3- м. В качестве иллюстрации
рис. 6.9 приведены результаты геодезических измерений \
таточных смещений реперов (длина отрезков - база измерен»
Характеристики крупных трещин, образовавшихся при взр!
(в основном в непосредственной близости от тектоничеа
разломов), представлены на рис. 6.10.
Наличие естественных тектонических нарушений не тол
приводит к неоднородному деформированию среды, но так
198
Рис. 6.11. Схема
ON - подземная
;ния взрыва:
ботка; О - центр
>ыва: F' В'
- тектоническое на-
IL.MlC 30
20 15 10
\ \ \
7
В
5
\
\
\
\
20 40 60 В 80
/00 г м
f'KT
О 10 20 30 40
6.12. Расположение блока (а) и остаточная деформация {б), нормальная
поверхности грани блока при взрыве заряда эквивалентной мощностью 1 кт
¦ ft*
существенно увеличивает дальнодействие подземного М
ного взрыва. При одном из взрывов в соседней выработай
относительном расстоянии 743 м/кт1/3 от взрыва наблюда
значительная деформация рельсовых путей на тектониче!
разломе. Относительное смещение берегов разлома составили
оценкам (хорда прогиба путей - 1,5-2 м, стрела про
0,8-1,2 м) величину около 0,5 м.
Простые оценки позволяют установить основные особен^
деформирования среды со структурой при крупномасшта1
подземном взрыве. Рассмотрим произвольно ориентирован
пространстве тектоническое нарушение (разлом, межбло
промежуток) BCKFF' В' (рис. 6.11), характеризующееся
падения а, азимутом простирания <рп и пересекающее
вую штольню ON с азимутом щ на расстоянии k от в
(точка О).
Дальнейшее рассмотрение будем проводить в плоскости
нормальной к плоскости разлома (см. рис. 6.11). Очев
что
ОВ - / - /ocos(^o - <Рп + и
ОД - L ш ?ocos(^o - <Рп + я/2),
где Zo - удаленность конечного бокса от устья штольни.
Для простоты будем полагать, что основной харак
тикой, определяющей поведение среды в непосредствен
близости от нарушения при динамическом воздействии, явЛ
ся нормальная к плоскости нарушения деформации с , а »
нические свойства горной породы и породы-заполнителя я
шения идентичны. Величина е в произвольной точке нарущ
N представима в виде
(гх0 ¦* er(r10sin2r1 + с (n0cos2yi, Щ
где Tj - расстояние от взрыва до точки N; ег и 0
соответственно радиальная и азимутальная деформация с{
волне сжатия; ti - угол между волновым вектором и плоско
нарушения в точке N. ^ ;
Скорость смещения среды на расстоянии г от взрыва npi
в виде
(
Vo(r)<p(t) ПРИ 0 < t < Т
0 при t < 0, t > т,
v
•л
где t - время с момента прихода волны на расстояние г;
vo(r) - Ад г - максимальная массовая скорость от в;
ного источника энергией <?, устанавливаемая эмпирически;
- некоторая функция времени, удовлетворяющая усл|
() 0, получаем ч
?
200
F.17)
t) = u(r,t)/r,
F.18)
где u(r, t) - смещение частиц среды в волне сжатия, причем
и (г, 0 -= vQ(r)f<p(t)dt.
о
F.19)
Обозначая кратчайшее расстояние от взрыва до плоскости
нарушения О А (см. рис. 6.11) через а и интересуясь оста-
остаточными параметрами движения в волне сжатия U -* т), по-
получаем с привлечением F Л 5)
- l))S<p(t)dt,
о
F.20)
ще
[actga
a/n» производная dlnv^/dr берется
Здесь учтено:
в точке N; OD «¦ L.
Полученная зависимость F.20) позволяет устанавливать
величину нормальных деформаций на площадках, совпадающих с
гранями произвольно ориентированных в пространстве структур-
структурных блоков. В качестве примера на рис. 6.12 показано изме-
изменение величины е вдоль граней структурного элемента куби-
кубической формы со стороной 25 м, расположенного на расстоянии
75 м от взрыва заряда q = 1 кг (расчет при <p(t) = sinrc/r).
Видно, что деформирование в сферической волне сжатия
существенно искажает первоначальную форму структурного
элемента. При этом следует отметить, что характер формоизме-
формоизменения соответствует результату стесненного поворота струк-
структурного элемента, расчетную схему и экспериментальное под-
подтверждение которого можно найти ниже.
Из рис. 6.13 видно, что величина и характер деформации,
нормальной к поверхности структурного элемента, зависят от
пространственной ориентации конкретной грани (на грани АВ
нормальная деформация положительная, что означает растяже-
растяжение, на гранях AD и ВС - отрицательна).
В первом приближении можно полагать, что именно угол
падения произвольно рассматриваемого нарушения, например,
тектонического разлома определяет преимущественный характер
201
2
ш
*
to
rJ
w
20
.-*
40 SO WO !20
cc, градус
W
40
(X>, градус
Рис 6.13.
ческого
в
аточная
р
а - при / < Л, Э - 25, Я - 1 кт; б - при / > Л;
l/L - 0,04; 0,08; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 0,8
среды в области непосредственно к нему
хки в плоскости разлома). При
сея схемой проведения взрыва, представлений
на рис. 6.11 (при этом положим: OD - L - расстояние от меся
взрыва до свободной поверхности по горизонтали в пл
перпендикулярной плоскости нарушения; DM - земная
ность; /3 - угол склона).
Для конкретного вида функции
q>(t)
sin
IT!
[еформация
[ости Hapyirt
ния ВС в точке, расположенной на
взрыва, представим в
Г 2
¦?тил (т\ - ... v a
(Г)
Г ОТ
tea
o(r)
Пг
1 - A + п)
F.
R
этом п < г < Г2,
F.21), а
s l при I >
при /
где
г2 определена зав|
[ем
зоны взрывного разрушения
__„____г тектонического нарушения в волне сжатия в в
допустимо характеризовать некоторой средней по разлому ?
личиной деформации. С практической точки зрения наибоя
202
рис. 6.14. Зависимость угла падения тек-
тектонического разлома с максимальными необ-
необратимыми проявлениями от отношения II 1л
\ - р - 25, Л - 0; 2 - 8 - 35, h - 0; 3 -
- 25, h - 5 м; 4 - $ - 25, А - 10 м,
- экспериментальные данные
во
60
40
20
О
0,04 0,06 0,1
0,2 0,4 0,6 1/L
интересным участком нарушения является участок ВС, щ
щий к свободной поверхности. Средняя по участку ВС
ная деформация е
п
*»
как
«¦
S ? dr.
no
деформа
взрыва),
интересные для практики случаи поле
(раскрытие тектонических разломов под действием
едставлены на рис. 6.13. Из рисунка видно, что
е (а) для каждого из выбранных значений
ОБ - I « a/sina
существенно немонотонна: максимальное значение с
дости-
гается при вполне определенных значениях угла падения тек-
тектонического разлома
a
a «, /3).
F.23)
i
В качестве иллюстрации на рис. 6.7 сплошными линиями
показана зависимость F.23) для конкретных условий взрыва,
полученная по результатам расчета с Q. Для сравнения на том
же рис. 6.8 приведена аналогичная зависимость, полученная с
учетом влияния свободной поверхности на величину е 0, Эф-
Эффекты, связанные с отражением волны сжатия от свободной по-
поверхности, учитывались путем удвоения нормальной к поверх-
поверхности MD (см. рис. 6.12) составляющей массовой скорости в
слое tpeflbi толщиной А.
Полученные результаты позволяют группировать тектони-
тектонические нарушения по величине деформации, нормальной к
203
Рис. 6.15. Деформация растяжения на гранях структурных блоков при
q - 1 кт (размер блока 10x10 м):
J - центр взрыва; 2 - границы блоков; 3 - эпюры деформаций
плоскости их простирания. Действительно, среди разнооривр
рованных и разноудаленных от взрыва тектонических разлом!
помощью зависимостей, представленных на рис. 6.13 и
можно выделить такие, среднее раскрытие которых в резу
действия взрыва максимально. При этом одна и та же вел
поперечной деформации е „ достигается на близкостоящих
источника взрыва разломах при меньших углах падения ос,
более удаленных - при больших а. В связи с этим можно
полагать, что при прочих равных условиях, характеризуй;
разноудаленные от взрыва тектонические разломы,. большие
ханические проявления при взрывном воздействии ожидаются!
более пологих разломах, расположенных ближе к источн
взрыва. При этом из разломов, секущих выработку примерна
одинаковом расстоянии от взрыва, более опасными являй
разломы с большим углом падения. Более простые оценки мЫ
проводить с использованием зависимости <1ФФ.
С целью проверки результатов оценок проводилось изуч|
вызванной взрывом нарушенное™ тектонических разломов nf
непосредственного обследования поверхности массива гори
пород с выделением участков (конкретных разломов) с мэд
мальными необратимыми проявлениями (по протяженности
раскрытию образовавшихся трещин, величина сброса), а та*
204
контролем за выходом продуктов взрыва. Другой способ основан
на эффекте преимущественной фильтрации газообразных про-
продуктов взрыва по наиболее нарушенному из разломов.
Результаты анализа натурных наблюдений представлены на
рис. 6.15. Несмотря на предельную простоту рассуждений,
предложенный подход позволяет с достаточной для практических
целей точностью прогнозировать на каких именно участках гор-
горного массива следует ожидать наиболее существенных (с точки
зрения механического действия взрыва) необратимых прояв-
проявлений. Последнее представляется весьма важным при оценках
устойчивости конкретных участков массива горных пород и раз-
размещенных в них сооружений, а также при оценках времени выхо-
выхода продуктов взрыва в конкретных экспериментах.
6.3. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ БЛОКОВ
СРЕДЫ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ
Наличие тектонических нарушений в реальной геофизической
среде определяет сложный характер деформирования структурных
блоков. В частности, на рис. 6.15 приведены результаты
расчета остаточных деформаций на гранях структурных элемен-
элементов массива, выполненного согласно расчетной схеме, описан-
описанной в разд. 6.2. Из рис. 6.12 и 6.15 видно, что сложное де-
деформирование каждого из структурных элементов может приво-
приводить к несогласованному движению соседних блоков. На прак-
практике это может проявиться в нарушении пространственной
непрерывности смещений среды и ее деформаций.
В рамках настоящих исследований проводились инструмен-
инструментальные наблюдения за движением блочного массива горных по-
пород при взрывах разного масштаба. Измерения проводились в
протяженных подземных выработках, характеризующихся ярко
выраженными ослаблениями в виде крупных трещин и тектони-
тектонических разломов, а также на земной поверхности в зоне про-
проявления регионального Колба-Чингизского тектонического
разлома.
Наиболее детальные наклономерные измерения проводились в
опыте, описанном в разд. 5.6. Экспериментальные данные, по-
полученные после первого и повторного взрывов представлены
соответственно на рис. 6.16 (горный массива Дегелен
табл. 6.3), Результаты измерения свидетельствуют о наличии в
горном массиве остаточных угловых деформаций, значительно
превосходящих погрешность измерений (ошибка не превышала
величины 4,8 •10 рад).
Обращаясь к экспериментальным данным, следует отметить,
что характер изменения наклона стенки штольни по мере уда-
удаления от эпицентра взрыва (/ - 0) немонотонен, наблюдается
чередование областей, характеризующихся противоположным по
направлению наклонами стенки выработки. Особенно четко это
205
s
о
§
а
I
О
С
en
ев
Я"
s
2
о
О
s
ed
H
о
s
to
s
e
g
ев
t
ев
83
1
z S
It
Ъ
i3
2.
ON
«S
-и so
00 00
On
On 00
VO
oo o"
О
ON
00
oo
00
I
5
•6-
Q.
О
С
s
а р.
о
-с
s
e
JL
О,
g
Sf
рис. 6.17. Остаточный наклон стенки
щтольнн в плоскости, параллельной
рельсовым путям
10
А со, угл. минуты
0J
-0,1
-ко
-10
0
100
200
ш
*
оо
прослеживается по данным о наклонах в плоскости, перпенди-
перпендикулярной к оси штольни. Отмеченную особенность следует
интерпретировать как независимое движение структурных эле-
элементов, слагающих горный массив. В связи с тем, что пункты
наклономерных наблюдений располагались на значительном уда-
удалении друг от друга E-50 м), результаты измерений в сово-
совокупности могут характеризовать движение структурных элемен-
элементов массива, а не отдельных элементарных блоков породы,
т. е. отражать характер деформирования блоков, обладающих
внутренней структурой.
Предположим, что соседние пункты наблюдений, в которых
зарегистрированы остаточные повороты одного знака, принад-
принадлежат одному и тому же структурному элементу породного мас-
массива. Тоща по признаку одинакового знака наклона можно в
первом приближении оценить размер независимо деформиру-
деформирующегося структурного элемента (с той точностью, которую
обеспечивает пространственная дискретность измерений).
Результаты таких оценок приведены на рис. 6.17 в виде
сплошной ломаной линии.
Характерно, что аналогичные оценки, выполненные по
результатам наклономерных измерений в плоскости, парал-
параллельной оси штольни (рис. 6.17), в большинстве своем не про-
противоречат результатам оценок, представленных на рис. 6.16.
Правда, здесь следует отметить, что такое соответствие не
является обязательным. Действительно, представляется до-
допустимым, что размеры структурных элементов на одном и том
же участке горного массива, испытывающих повороты в разных
плоскостях, могут отличаться. Это хорошо видно из схемы,
представленной на рис. 6Л8 (структурный элемент, составлен-
составленный из элементарных блоков I и II испытывает поворот в
плоскости yz как единый элемент, в то время как в плоскости
ху, блоки I и II по отдельности могут испытывать разную по
величине и даже направлению угловую деформацию).
207
Рис б. 18. Схема поворотов
ного структурного элемента <
тир - начальное положение)
11 -
Измерения на земной поверхности проводились в зоне К
Чингизского глубинного разлома с целью установления реак
приповерхностной структуры земной коры на сейсмовзрывн
воздействие, включая определение относительного смеще
границ разлома.
Колба-Чингизский разлом разделяет две крупнейшие скла#
чатые системы: Чингиз-Тарбагайский мегаантиклинорий, сформ»
рованный в каледонскую эпоху тектогенеза и сложённый грубо
обломочными породами среднего кембрия, и Зайсайский мегасиг
клинорий герунского возраста, представленный терригенным
породами нижнего карбона. Для обеих систем характерна инте*
сивная наложенная складчатость разных периодов и широко
развитие нарушений разрывного характера, предопределяющий
сложное блоковое строение рассматриваемого массива. Ширин!
зоны разлома в районе инструментальных наблюдений составляе
около 300 м. |
Наблюдения проводились в условиях горного массива Бала
пан (таил. 6.4) на площадке размером 1450x550 м (основной
поле 650x550 м), оборудованной сетью геодезических репера
(рис. 6.19), и заключались в определении расстояний межд;
ними с помощью светодальномера (точность измерений на имею)
щихся базах составила ±4,5 мм). Площадка расположена :
районе выхода скального основания на свободную поверхность
что позволяет интерпретировать результаты измерений ка|
движений блоков горной породы в зоне разгрузки разлома (ре-
(реперы 4, 7, 8 и 9 размещены непосредственно на выходах
скального основания, мощность рыхлого чехла в остальные
геодезических пунктах составляет 1-10 м). \
Начальные измерения проводились по всей сети реперов за
двое суток со сейсмовзрывного воздействия. Повторные из-
измерения проводились на следующие сутки, а контрольные
спустя 2 мес после сейсмовзрывного воздействия амплитудой
0,4-0,65 м/с в пределах основной измерительной площадке
(удаленные от разлома реперы № 10-16 использовались в ка
208
яз
Cfi
S
u
о
о
X
I
о
»ж
о
s
X
zS
s
4
Z
I
X
н е
о
no?
o
NO
00
О О О О:О О О О
oo
ГО
ooooocooo
"o ' о о
со
(N tn го о;
eo со to со
CO CM CO CO CO
00
с* оо го
s
ее i
О оо «с
-_-_-j Р*^Л
¦щ-т -^— -^- v-b v-r e— r ^r> W» 1^i» ""¦
oooooooooop
00
*-iN^ ГО
о
CN О
ГО
СО
СО
«
о
СЯ fN IN (S fS
s
с
s
3*
и
с
s
S 5-S
о о,
cos
о s a
3 S
is
s о
X
НЧ
i
20*
базовых при оценке достоверности методики), Pej
таты контрольных измерений совпали с измерениями^ выпод}
ными непосредственно после сейсмовзрывного воздействия, -
указывает на существенно необратимый характер подвижки (
ной структуры в результате единичного возмущения. В качд
грации ниже приведены данные большинства изме
(средние по нескольким замерам) для одного из опытов.
¦ *
Номера реперов
трассы
Остаточное сме-
смещение, мм. .
Номера реперов
трассы
Остаточное сме-
смещение, мм. , .
1-4 1-6 1-7 1-8 1-9 2-4 2-5 2-6 24
-52 -35 -12 -42 -74 -45 49
-10 24
18
27
11
11
50
2-8 2-9 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9
-15 12
-1
ь
характере движения струк
ные смещения по близким
Предварительный анализ данных свидетельствует о слояй
блоков земной коры. Оста?
vi (например, 3-7 и 3-8)
отличаться не только величиной, но и знаком. Единств
фактов основывается на т
во-первых, о независимом деформировании блоков, во-вто|
возникновении смещений разного знака на промежутках м
блоками.
Следует ртметить, что относительное смещение реперов
ле повторных сейсмовзрывных воздействий амплитудой, 6ли$
с
о;
7
о
10
о
12
о
р
о/5
а
4
о
8
о
г
¦
2 3
о о
б
о
9
W
о
11
о
16
о
о
-
fa? mi
расположения геодезиче
"¦j_
- тектонический разлом,
210
к первоначальному, имеет сходный порядок величин. Последнее
согласуется с выводами работы [31] о цикличности поведения
областей нарушенности среды при повторных динамических воз-
воздействиях.
Анализ остаточных смещений в целом по площадке показыва-
показывает, что вдоль простирания разлома произошел правосторонний
сдвиг амплитудой около 15-20 мм с, разворотом северной плиты
относительно южной на угол -3*10" рад.
6.4. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ВЗРЫВНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
БЛОЧНОЙ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ
ч.
В настоящем параграфе делается попытка описать процесс
деформирования среды при крупномасштабных взрывах (энергией
от 0,5 до 100 кг в тротиловом эквиваленте) на основе ее
представления в виде некоторой совокупности структурных эле-
элементов. Под структурными элементами подразумеваются в Дайном
случае независимые области, ограниченные структурными на-
нарушениями как естественного, так и техногенного проис-
происхождения.
В дальнейшее породный массив будем рассматривать в виде
совокупности структурных элементов разного масштаба, про-
промежутки между которыми представляют собой существенно про-
протяженные области, заполненные слабосвязанными по сравнению с
горной породой материалом.
Не ограничивая общности, будем полагать, что структурные
элементы разного масштаба ведут себя в процессе деформирова-
деформирования среды в целом одинаково, и на каждом этапе деформирова-
деформирования преимущественный вклад в макродвижение среды вносят
структурные элементы одного масштаба. Указанный масштаб
определяется, во-первых, иерархией структурных уровней по-
породного массива, а во-вторых, характером и масштабом меха-
механического возмущения.
В дальнейшем процессе деформирования структуризованной
среды будем описывать исходя из следующих представлений.
Взрыв сосредоточенного заряда мощностью q производится в
среде, характеризующейся микроструктурой и наличием сети по-
поверхностей ослабления в виде нескольких систем ориентирован-
ориентированных в пространстве трещин и разломов, каждая из которых
определяет соответствующий ей размер структурного элемента
?. (i=l, 2, 3..,). В области малых механических возмуще-
возмущений, амплитуда которых не превышает прочностные характе-
характеристики материала-заполнителя межблоковых промежутков, по-
породный массив представим в виде однородного континуума,
пов едение которого полностью описывается соотношениями
Классической упругости. Макродеформации среды в целом опре-
определяются деформациями микроструктурных элементов.
211
При повышении интенсивности механического воздействия,
следовательно, неоднородности поля напряжений на мик
уровне, деформируемый структурно-неоднородный породный м
сив следует рассматривать в качестве существенно неравно!
ной системы, допускающей (в соответствии с общими законом
ногтями поведения неравновесных систем [40]) образов^
диссипативных структур-макроскопических структурных элем
тов деформации.
Представляется наиболее вероятным, что линейный раз!
диссипативной структуры L+ соответствует одному из размер
естественного породного блока в массиве L., причем конк|
ная величина структуры L* определяется пространстве
масштабом и интенсивностью налагаемого на среду возмущеМ
т. е. может меняться во времени у пространстве. Образов^
диссипативных структур можно представить следующим
При достижении на одной или нескольких поверхностях
ления предельного напряженного состояния матер
заполнителя в некоторой области пространства воз
лавинообразное разделение первоначально сплошной среды
структурные элементы.
Движение сформировавшихся макроструктур может осуш
ляться независимо, что допускает возможность возникни
моментов сил и, как следствие,- поворотов структурных
ментов. В этом случае массив горных пород будем предста
в виде псевдоконтинуума Коссера [37], материальным ~
которогр ставятся в соответствии поля перемещений и и
ротов <*>, причем
Ь*
Процесс деформирования среды на этом этапе будем
вать в рамках моментной теории со стесненным вращение
новные положения которой заключаются в следующем: фикс
ся зависимость F.24), в силу которой тензор обобщеннь
маций совпадает с тензором классических деформаций
ляется таким образом симметричным; наличие моментных к
жений определяет несимметричность тензора напря-
(зависимость между симметричной частью тензора напряже
тензором деформаций определяется соотношениями классич
упругости).
Поле макроперемещений в среде v определяется стесне
поворотом диссипативных структур линейного размера
ч
представимо в виде [47] (рис. 6.20)
V 1-
г 2
Последнее соотношение отражает тот факт, что перемег
212
рис. 6.20. Схема стесненного деформиро-
деформирования блока (АВСО - начальное, А']? С* О' -
конечное положение грани блока)
материальных точек при деформировании среды осуществляется в
отличие от классической упругости по криволинейным траекто-
траекториям, движение вдоль которых представляется в виде суммы
простых движений: линейного перемещения и поворота.
Оценим деформацию структуризованной среды на основе из-
изложенных выше представлений для конкретного воздействия
взрывного характера. Рассматривая сосредоточенный заряд в
качестве источника сферически симметричных волн сжатия, за- *
дадимся радиальной скоростью смещения в среде в виде
nt
v(r, t) - vo(r)sin (-—-) при 0<*<thv-0 при t < 0,
/ > т, , F.26)
ще vo(r) и т - соответственно максимальная массовая ско-
скорость в волне сжатия и длительность волны на расстоянии г
от источника; t - время с момента прихода возмущения в точ-
точку наблюдения.
Предполагая, что процесс деформирования выделяет преиму-
преимущественное направление вектора поворота, а сам поворот
структурного элемента необратим, с учетом F.25) и F.26)
получаем в пределах каждого структурного элемента
-). F.27)
Направление поворота (знак перед вторым слагаемым) опре-
определяется направлением момента сил, действующих на конкретный
структурный элемент в результате эстафетной передачи возму-
Щающего воздействия от блока к блоку, а также первоначальной
пространственной ориентацией структурного элемента деформа-
деформации. Таким образом с учетом того, что повороты вокруг обеих
осей, нормальных в соответствии F,25) направлению V, равно-
Ц$авны, допускается, вообще говоря, разноориентированный по-
поворот структурных элементов.
Указанное движение структурных элементов ф предположении
213
до)
I
ox
к
F.28)
вдоль грани каждого из элементов) приводит к изменению э4
фективной ширины межблокового промежутка на величину
L
\
-), F.29) ^
Ас — ± --v Q ¦¦¦¦—
i
где х.у к = 1, 2, 3 - декартовы координаты. '
К
Взаимное перемещение структурных элементов Л/, удаленвд
друг от друга на расстояние /, вдоль фиксированной ливд
,) определяется суперпозицией изменений промежуяк)
между структурными элементами. С известным приближения
можно считать, что при vo =¦ const остаточное перемещен
I.
т), как это следует из F.29), представима
виде
Д/, « ±
где «о - целочисленный коэффициент.
Совместим для определенности ось координат х\ с линя
ФОс.) и обозначим через х. границы структурных элемент
причем
X.^. — X, + i-*., / — If Z, О, ..., .
' В этом случае с учетом изложенного зависимость а>
представляет собой кусочно-гладкую функцию, определен^
^
на интервалах (*., х^,.). В частности величина остаточ*
у /+1 Л
поворотов структурных элементов (t —* т) вдоль линии х
'з = 0 иредставима в виде
4vo (jc .)Т | х .
til L
?
F
**
pi
для каждого интервала u., x^j) и ,имеет, как это следует^
F.30) пилообразный вид. При этом огибающую максималь|
поворотов можно интерполировать следующим образом:
Полученная зависимость F30) позволяет устанавл«|
величину поворота грани конкретного блока, если известны
размеры, и наоборот: по дискретным измерениям угла повой
граней блоков - определять линейные размеры последних. 1
Значительный интерес представляет рассмотрение вопрос!
214
размере диссипативной структуры L+t формирующейся в резуль-
результате взрывного нагружения. Напомним, что в нашем случае
среда представлена совокупностью вложенных друг в друга
структурных элементов разного уровня, каждый из которых
характеризуется своим пространственным размером L.(i
1, 2,
v? - '^ f '
Представляется
промежутка м<
генным предполагать, что ширина
структурными элементами 1-го уровня е.
а ш 1 1 я ъ
характерным размером прилегающего к нему
элемента. Для простоты примем: е. «
Выбирая макроперемещения V в качестве меры, характеризую-
характеризующей величину отклика среды на динамическое воздействие,
щ у
записываем с учетом F.28)
t
т :
# (JC
2
F.32)
вде Aw*(x.) - максимально возможный поворот структурного
элемента f-ro уровня. В последнем соотношении учтено, что
преимущественный вклад в линейное перемещение вносят струк-
структурные элементы с размером, близким к L* (рис. 6.21).
До)
Учитывая, что
¦ « 2e.AL.,
а распределение структурных элементов по размеру имеет ха-
характер, близкий распределению, предложенному в работе [52],
получаем
6.21. Деформированный составной
элемент среды
215
Uul.yraW Рис' ?'22* Остаточный наклон стенки в
J земной выработки при взрыве G-500 #
r.ff
-де fe - const - iw/L,t z = 1, 2, 3 ... <fe > 1).
Из последнего выражения легко оценить размер диссипатэ
гой структуры. Действительно, принимая vo(r) и т в
(ирических зависий
?
Л (г/д1/3УП; т - -f- яШ(г/Я1/3)т, F4
г
де Л 2?, л и m - константы, с - скс
ния звука в массиве горных пород, получаем окончате
0Н-тН)/3
¦ ^ Q
Представления о среде, как совокупности иерархически
подчиненных структурных элементов разного масштаба, в
лучшей степени соответствует строению реальных массивов
ных пород. Особый интерес (как с точки зрения установлё
деформационных характеристик породного массива, так и оцв
размеров блоков, проявляющихся в результате внешнего м$
нического возмущения) представляют наблюдения, проводим^
массиве, изначально ослабленному нарушениями естествен!
характера, либо в зоне крупных тектонических разломов^
пределах которых блоки, слагающие горный массив, получ
дополнительную возможность для стесненного либо свобод!
движения (в зависимости от конкретных характеристик меж|
кового пространства и его заполнителя). Т
1 Применим предложенную расчетную модель для интерпрет^
данных наклономерных измерений (см. разд. 6.3). В каче*
иллюстрации на рис. 6.22 представлены результаты
экспериментальных данных, представленных' на рис. 6.16 (
подробных измерениях остаточных наклонов стенки выработй
плоскости, нормальной рельсовым путям), выполненной
помощью расчетной модели. Из рисунка видно, что, несмотря
свою простоту, расчетная модель с достаточной для прщ
ческих целей точностью описывает повороты естественной щ
ной структуры горного массива при ядерном взрыве. С
Результаты обработки экспериментальных данных, ц
ставленные на рис. 6.22, позволяют оценить размер незави
1 ¦
216
\ДфA)\, углмин
\ко>A)\,угл.мин.
3
700
900
М0О
6S0
700
Рис. 6.23. Остаточный наклон
ностью 10 кМа) и 20 кГF>
¦работки
7501,М
шах
1дм1,угл. мин
Рис. 6.24. Остаточный накл
земной выработки при взрыве 50 кГ
под-
г структурного элемента среды Z*. Из рисунка вид-
видно, что вдоль штольни* можно вцделить три участка, заметно
отличающихся размером структурного блока. Среднее значение
L* по указанным участкам приведено ниже.
расстояний, м
Приведенные рез>
приведенных на рис
1,5 раза в
Однако преде
условия нео
0-50
10
50-230
36
230-
13,5
6.16,
от оценок,
сторону (примерно в
несколько о
.в меньшую
интервале эпицентральных расстояний 50-230 м).
более убедительными, поскольку помимо
жов соседних блоков (что
не всегда ввиду вероятностного характера выбора
направления поворота) здесь привлекается для оценок более
вная характеристика угловых движений: иерархическая
ментальных величин в
ленный таким образом размер структурных илокоь по
близок к размеру геологической неоднородности, вы-
выпри изучении стенок выработки. Сравнение экспери-
экспериментальных результатов и оценок, выполненных с использова-
использованием расчетной модели, свидетельствует о принципиальной воз-
ользования предложенной расчетной модели дефор-
217
i
lAel,
40
20
W
4
1
a
Рис 6.25. Зависимость относительно!
смещения соседних блоков от скорое
сейсмовзрывного воздействия {а - рас
по модели)
0,1 0,2 ОА Ц,,м/с
мирования блочного горного массива для оценок абсолюта
смещений стенки выработки при подземном взрыве.
В качестве дополнительной иллюстрации на рис. 6.23 и ¦
приведены результаты обработки менее подробных наклономер,
измерений, выполненных в других экспериментах [19]. Каче
экспериментального материала не позволило провести для з
экспериментов более подробные оценки. Тем не менее
подчеркнуть, что расчетная модель, описывая в целом харат
деформирования стенок выработки, объясняет главный резул
эксперимента: немонотонность и наличие аномально боль
угловых деформаций породного массива при подземном ядер
взрыве.
Детальный анализ результатов» полученных при инстру]
тальных наблюдениях в области влияния Колба-Чингизе
регионального тектонического разлома (реперное поле), тг
свидетельствует о применимости разработанной расчетной
дели для описания деформирования блочных структур при
земных ядерных взрывах. Так в результате рассмотрения
можных смещений разноудаленных геодезических реперов, с ;
том возможного изменения величины смещения границ сосед
блоков Де как в сторону увеличения, так и уменьшения, пс
чено, что наблюдаемая в эксперименте картина относитель-
смещений соответствует движению блочной структур^ с линей1
размером L * 60 м. Величина Аг, оцененная с помощью рас
ной модели при т -» 0,1 с, представлена на рис. 6.25. Там
для сравнения приведены экспериментальные значения Ас,
лученные по результатам светодальномерных измерений
стояний между реперами, располагающимися согласно оценкам
соседних блоках (например, реперы 4-8, 5-9 вдоль трассы
и реперы 5-9 вдоль трассы 3-9).
Изучение движений, возникающих в массиве горных пород
динамических воздействиях, свидетельствует о возможне
возникновения существенно немонотонных проявлений взрыв!
воздействия по мере увеличения расстояния г. Указанное
218
ние можно объяснить блочным строением реальных породных мас-
массивов, а также возникновением в структуризованной среде мо-
моментов сил, вызывающих повороты структурных элементов раз-
разного размера.
Получейные данные позволяют устанавливать масштаб проис-
происходящих в реальной среде реологических изменений при внешних
динамических воздействиях. Это в свою очередь способствует
установлению значения текущих и остаточных деформаций,
играющих существенную роль при оценке устойчивости массива
горных пород к техногенным воздействиям.
6.5. О РАЗМЕРЕ ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЯ
ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ
В СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ
Основной интерес с точки зрения оценки устойчивости
среды и размещенных в ней сооружений при подземном взрыве
представляет размер области, в пределах которой массив
горных пород претерпевает необратимые изменения, интер-
интерпретируемые как разрушение среды. Характер указанных из-
изменений определяется структурным строением, другими свой-
свойствами массива, а также свойствами и составом слагающих его
горных пород.
Интенсивные нагрузки, достигаемые в сформированной взры-
взрывом волне, приводят к существенному изменению механических
характеристик горного массива и слагающих его пород. В ре-
результате экспериментов установлено [75], что в прилегающей к
полости зоне, в пределах которой напряжения на фронте волны
превышают 40 ГПа, происходит плавление горных пород.
По мере падения амплитуды волны с расстоянием от взрыва
г (рис. 6.26) выделяются зоны дробления и новообразованной
трещиноватости.
Разрушение твердой среды под воздействием взрывной на-
нагрузки связывается с нарушением сплошности, а следователь-
следовательно,- связности отдельных ее структурных элементов между со-
собой, что определяет в итоге блочный состав разрушенной сре-
среды. Здесь уместно отметить, что расчленение горной породы в
результате взрыва на отдельные слабосвязанные между собой
структурные элементы не всегда приводит к их беспрепятствен-
руур д рд р
ному разделению по вновь образованным поверхностям.
При камуфлетных взрывах в отсутствии поверхностей и зон
разгрузки большие деформации, сопутствующие взрывному движе-
движению, а также остаточные напряжения могут привести к доста-
достаточно плотной упаковке отдельных кусков породы разрушенного
в целом породного массива. Об этом свидетельствуют имеющиеся
эксперименты по выпуску породы, разрушенной подземным ядер-
ядерным взрывом [44]. Вместе с тем нарушение связности породного
массива, вносимое в среду взрывным возмущением, отчетливо
219
бг.ГПа
100
40
10
1
?
1
4 К?
2
20
Рис 6,26. Максимальное радиальное напряжение во взрывной волне:
а - "Райниер" q • 1,7 кт (/ - эксперимент, 2 - расчет); б - "Хардхэт*
q ~,LKr; ^"Чи"' <2> в " !2>5 кт, 7, 2 - дассперимент, i - мечет ш
q - 100 кт *
I
проявляется изменением основных механических свойств cpqjj
Установлено, например, что в области интенсивного тренда
образования заметно падает скорость распространения возмуь
ний, увеличивается пустотность, а также проницаемость поре
ного массива и слагающих его пород [75, 78]. j
Изучение структуры массива горных пород в многочислен»)!
экспериментах показало, что при относительном радиусе щ
дробления породы Rjq1^ - 35*45 м/кт1/3 вновь образов|
ные при взрыве трещины прослеживаются до относительных р
стояний R2lq11* ^70 + 100 м/кт1/3. Среди геофизиков имея
эта величина (сопоставимая с длительностью излучаемого ;
большие расстояния г сигнала) рассматривается в качестве X
диуса зоны разрушения. Детальные исследования, проведении}
настоящей работе при опытно-промышленном ядерном взрыве 1
казали, что инструментально выделить зону щюбления вну1
зоны наведенной трещиноватости не представляется возможна
параметры нарушенное™ среды (трещиноватость X и коэффици
проницаемости к) представляют собой гладкие функции
стояния от взрыва г вплоть до г - R2t ще они выходят на
начальные значения. Это свидетельствует о том, что су
вующая неоднозначность в оценке рамеров зоны разрушен!
рушение
ти, на
1мимо отсутствия ере,
1иалистов ели
сказывается сложность изучения прямых xt
оличество вновь образованных трещи
без
голнительных возмущений
понятия
с нарушен!
есения в мм
220
связана с необходимостью привязки самого понятия "разруше-
"разрушение" к возможности осуществления конкретного технологи-
технологического процесса* Йо имеющимся данным [14] коэффициент раз-
рыхления породы кт должен составлять в этом случае величину
не ниже I - i* ¦ 1,18. Относительный радиус области с к >
ffl . Ш " Щ
> к^ составляет для подземного ядерного взрыва 30-35 м/кт1/3
При геотехнической подготовке массивов горных пород для це-
целей подземного выщелачивания металлов, газификации углей и
сланцев и т.п. радиус зоны достаточной нарушенное™ опреде-
определяется проницаемостью среды и разветвленностью проницаемых
каналов (коэффициент проницаемости t > 0,1 Д, средний размер
куска <х> < 0,25 м 24 и составляет около 60 м/кт1/3. Радиус
области неупругих деформаций при взрыве (размер источника
сейсмических колебаний), который также допустимо трактовать
I М
как размер зоны разрушения, составляет, как уже отмечал)
80-100 м/кт1/3 в зависимости рт типа пород.
Отметим, что во всех указанных случаях при оценках разме-
размера зоны технологически приемлемых разрушений достаточно ука-
указать некоторое среднее значение. Сложнее провести оценку
размера зоны разрушения в тех случаях, ковда необходимо учи-
учитывать возникновение даже редких по пространству проявлений
разрушающего действия взрыва. Так обстоит дело, например,
при определении безопасных расстояний, на которых ооеспеч^-
вается целостность сооружений либо объектов. Не исключено,
что в этом случае при установлении размера зоны разрушения
массива горных пород необходимо ориентироваться на макси-
максимально возможные расстояния, на которых взрывное воздействие
вызывает необратимые проявления, трактуемые как разрушение:
аномально большие необратимые подвижки, раскрытие тектони-
тектонических трещин и разломов и т.п.
В связи с этим возникает два вопроса: о пространственной
симметрии зоны взрывного разрушения массива горных пород и о
возможности возникновения существенных (с точки зрения
устойчивости среды и размещенных в ней сооружений) необра-
тимых проявлений подземного взрыва на расстояниях до некото-
некоторого /?„, превышающего радиус традиционно выделяемой зоны
разрушения A00 м/кт1/3).
Что касается первого вопроса, то известно, что рамер зоны
и интенсивность трещинообразования на конкретном азимуталь-
азимутальном направлении определяется углом между направлением рас-
распространения волны сжатия и пространственным простиранием
естественных трещин, либо границ раздела различных по соста-
составу и свойствам горных пород. Образованные взрывом трещины в
большей степени развиваются в направлении естественной тре-
Щиноцатости. t
Если говорить о дальнодействии взрыва, то в настоящее
время накоплено значительное количество экспериментальных
221
данных, свидетельствующих о наличии необратимых проявлен^
на расстояниях, существенно превышающих 100 м/кт1/3.
б б
этом масштаб указанных необратимых эффектов в отдельных
чаях может оказаться весьма значительным. К подобным п
i
явлениям подземного взрыва прежде всего следует отнести яр:
выраженные остаточные деформации породного массива в
образования зияющих трещин (шириной до 10 мм), аномалы
больших (до 10 мм) локальных подвижек и угловых деформ;
сбросов, деформации рельсовых путей, а также значительных
объему вывалов породы в подземных выработках. Здесь же
дует отметить изменение гидрогеологической обстановки
значительном удалении от взрыва [15]. f
Необходимо обратить внимание еще на одну важную особе!
ность механического дальнодействия подземного взрыва: nf
проведении повторных взрывов в пределах одной геофизическ
площадки необратимые локальные проявления в среде могут вс
никать при меньших по сравнению с предшествующими взры:
параметрах воздействия. Так, например, при повторном взры!
в слабонарушенных массивах диабазовых порфиритов отмечалв§
вывалы горной породы в подземной выработке на расстояи§|
Е
> . J
750 м/кт1/3, в то время как при основном взрыве того |
масштаба (д « 500 т) вывалы породы наблюдались на расста
ниях до 470 м/кт1/3. В других экспериментах повторные во
действия, как уже отмечалось, вызывали значительную деформ
цию рельсовых путей на приустьевом участке выработки. j
Одной из наиболее вероятных причин усиления механическс
кта в дальней области при повторных взрывах является Щ
копление остаточных напряжений либо малых необратимых дефй
маций от предшествующих воздействий на механически ослабли
ных участках горного массива. В этом случае повторные взры
могут вызвать значительные по величине остаточные проявлен
даже на тех участках массива горных пород, на которых yi
занные проявления (с учетом амплитуды воздействия) не прс
нозируются. Последнее существенно усложняет анализ устойч|
вости сооружений и породных массивов при интенсивных динам
ческих воздействиях. :
В объемах, значительно превышающих объем зоны интенсй
ного воздействия взрыва, отмечается существенно неравн
весное состояние среды, проявляющееся в виде остаточед
II II
сейсмических полей. Так при изучении механических эффект
подземных ядерных взрывов "Бенхэм" (Невада, США), "Милро1
и "Канникин" (о. Амчитка, США) [76, 79] были установлю
размеры зоны афтершоков, которые допустимо интерпретировав
как области локального последействия взрыва. Приведение
ниже данные по указанным экспериментам (W - глубина взрыв
N и М - соответственно количество и магнитуда зафиксир
ванных афтершоков) дают следующие значения величин:
- 650+1400
фф
0,05-0Д5 м/с,
222
где v** - максимальная массовая скорость при г =
Эксперимент. "Бенхэм" "Милроу" "Канникин"
4 кт 1100 1000 5000
w. м 1400 1200 1800
N 2000 300 800
2-5 1-3,5 1-4,5
*, км 10-14 6,3 13-
v**, м/с 0,05-0,1 0,15 0,1
Тектоническая нарушенное» массива горных пород может
привести к значительному увеличению масштаба локальных не-
необратимых проявлений взрывного воздействия*
При проведении подземного ядерного взрыва "Милроу" по су-
существующим тектоническим разломам были зарегистрированы зна-
значительные остаточные смещения среды. Наблюдаемые на дневной
поверхности смещения берегов разломов достигали 1-1,2 в
вертикальном направлении и до 0,15 м вдоль разломов. Про-
Протяженность обновившихся разломов составила от 0,3 до 8 км.
Аналогичные разрывы вдоль тектонических разломов (на рас-
расстояниях до 6 км от эпицентра) отмечались при взрыве
"Бенхэм".
Многочисленные наблюдения, проведенные при крупномасш-
крупномасштабных подземных взрывах, позволяют устанавливать харак-
характерные размеры приповерхностной зоны откольных явлений. В
частности, для взрывов с приведенной глубиной Wlq1^ « 80*
¦5-120 м/кт1^ радиус зоны откольных проявлений по естествен-
естественным нарушениям среды составляет в среднем около 800 м/кт1/3.
Характерно, что максимальная массовая скорость в волне
сжатия составляет на этих расстояниях величину 0,15-0,2 м/с,
которая одновременно является граничной для видимых меха-
механических проявлений сейсмовзрывного эффекта [57].
Возникновение необратимых локальных проявлений в среде на
значительных расстояниях от места проведения взрыва обуслов-
обусловлено блочным строением реального массива горных пород. В
этом случае пространственно средняя деформация среды склады-
складывается из деформации собственно горной породы (блоков) и
деформации существенно более слабого по сравнению с породой
материала-заполнителя промежутков. В результате деформирова-
деформирование блочной среды осуществляется преимущественно по поверх-
поверхности и зонам ослабления прочности, в окрестности которых по
этой причине и происходит локализация необратимых проявлений
взрывного воздействия. В зависимости от конкретной иерархи-
иерархической структуры породного массива и прочности межблоковых
связей локальные разрушения могут наблюдаться на расстояниях
вплоть до 103 м/кт1^. Известные масштабы структурных нео-
днородностей свидетельствует о том, что в природе не суще-
существует массив горных пород, лишенных иерархически соподчи-
соподчиненной структуры. Например, реальный породный массив, не
223
содержащий тектонических разломов, имеет ослабления про*
ности на более высоком иерархическом уровне. При этом,
тественно, что масштаб необратимых локальных проявл
полностью соответствует масштабному уровню разруша
структуры.
В любом случае при оценке возможных разрушений в ма
горных пород в результате действия взрыва необходимо иметь |
виду вероятность возникновения локальных разрушений в '*" :
сти с относительным радиусом до 103 м/кт1/3.
Радиус зоны локальных необратимых проявлений
1-
оцени
:к
следующим образом. Представим породный массив в виде сове1
купности структурных элементов с линейным размером L.
структурным элементом как и ранее будем подразумевать
дальнейшем отдельные блоки, составляющие породный ма
движение которых в пространстве может осуществляться в
статочной мере независимо. Полагаем, что взрывное возде:
вне не вызывает в среде необратимых проявлений, если д<
мация, вызванная взрывом, не превышает некоторой критически
величины ?,. Максимальная деформация в блочной среде достЯ
гается в окрестности поверхностей ослабления, в связи с ч&
за меру критической деформации допустимо выбрать величин
с « Uo/L, где Ко - относительное смещение граней соседнц
структурных элементов вдоль межблокового промежутка.
Записывая поле макроперемещений в среде при взрыве в вид
F.25) и задаваясь скоростью смещения среды в волне сжатия ~
виде F.26), получаем с учетом F.27), F.33) и Uo * 0,5 cat
при t -» т:
/(п-т)
Q
г/з(и-т)
Для получения числового результата необходимо задавать*)
величиной е*. Рассматривая реальный породный массив в
чесгве долгоживущей нестационарной системы, допустимо
брать в качестве минимальной оценки значения еф, достигае
в процессе естественного (фонового) деформирования земж*
коры. Многочисленные данные, накопленные при регистрация
приливных и других тектонических движений, позволяют выбраг
в качестве е* величину равную A-2) • 10~5 (отметим, что раз)
рушение реального горного массива наступает при достижение
деформации 10~4 [25]. Оценка параметров взрывного воздейст
вия дает в этом случае (д « 1 кт, L —100 м)
R
¦•
1000+1400 м,
^0,1 м/с.
Среди возможных причин возникновения необратимых проя!
лений по тектоническим разломам либо межблоковом промежутка
224
при динамических воздействиях можно выделить несколько: раз-
разрушение межблоковых контактов либо материала-заполнителя в
результате взрыва, малое сцепление между поверхностями со-
соседних блоков (низкий коэффициент трения), изменение водона-
сыщенности отдельных разломов и крупных трещин на момент
взрыва, наличие неравномерно распределенных в пространстве
тектонических напряжений. На практике из перечисленных при-
причин превалирует разрушение заполнителя. Для этого случая
найденное значение Кфф позволяет провести некоторые оценки,
связанные с установлением прочностных характеристик материа-
материала-заполнителя межблоковых промежутков (либо горной породы
повышенной нарушенносш, если в качестве зон ослабления сре-
среды рассматривать крупные тектонические разломы). Действи-
Действительно, размер зоны разрушения определяется прочностью ма-
материала среды. Легко представить, что взрывная волна, ампли-
амплитуда которой с расстоянием определяется преимущественно ха-
характеристиками горной породы, разрушает более слабый в про-
прочностном отношении заполнитель промежутков на больших рас- ,
стояниях, чем горную породу. Полагая, что разрушение запол-
заполнителя является единственной причиной необратимых локальных
проявлений на больших расстояниях от взрыва, получаем на ос-
основании зависимостей [36]
Ro *
с привлечением найденного ранее значения #фф, что прочность
заполнителя <г должна составлять в этом случае:
, ~ О,О1сг .
где Яо и Л# - соответственно радиус камуфлетной полости и
зоны разрушения; р и с - соответственно плотность горной
породы и скорость звука в ней; <г* - прочность породы на
сжатие.
Полученную оценку <г следует рассматривать как вполне
правдоподобную.
Все, о чем говорилось до сих пор, вызывает необходимость
совершенствования представлений о характере взрывного воз-
воздействия в реальных массивах горных пород и в первую оче-
очередь - выделения области локальных необратимых проявлений в
качестве самостоятельной. Радиус указанной области состав-
составляет 700-1200 м/кт1^ в зависимости от конкретных харак-
характеристик породного массива. При этом необратимые локальные
эмации в среде проявляются при амплитудах воздействия,
иревышающих по максимальной массовой скорости в волне сжа-
величину 0,1-0,15 м/с. Последнее позволяет оконтуривать
225
выделенную зону с помощью кинематических параметров вз|
ного воздействия.
Ниже приведены некоторые характеристики зон необрат
деформирования среды при подземноц взрыве, включая амплв
воздействия на внешней границе каждой из зон vi и
объемную плотность энергии взрыва Е по зонам
е ш 3E/DwR3),
где К'» радиус соответствующей зоны.
Зона взрыва. . . . Полость Дроблрния Наведенной Локал
трещин ова- необр!
, 1Л тости проян;
Л, м/кт1'л t. . . 7-12 30-40 80-120 800-И
, м/с 200-500 20-50 2-5 ОД-О,.
у Дж/м3 Ю9 107 105 102
Можно заметить, что объемная ушотность энергии взрьн
зоне локальных необратимых проявлений ( 4 О2 Дж/м3) совз
с объемной плотностью сейсмической энергии в очаге з
трясения [56],что является еще одним свидетельством в г
сопоставимости процессов формирования сейсмических вол
взрывах и землетрясениях.
Наличие области локальных неупругих проявлений и i
кающие в связи с этим задачи устойчивости горных массе
размещенных в них сооружений тррбуют углубленного изу*
вопросов, .связанных с влиянием индивидуальных особенн
структурно-тектонического строения массива горных порог
механические последствия крупномасштабного подземного i
ва. Это ведет к необходимости разработки специальных *
дов и способов диагностики массивов горных пород с
установления характеристик их первоначального и коне*
состояний как в смысле структуры, так и пространственной,
однородности физико-механических свойств и напряжев
состояния.
1. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ,
ВЫЗВАННЫЕ ПОДЗЕМНЫМ ВЗРЫВОМ
В БЛОЧНОЙ СРЕДЕ
Сложное блочно-иерархическое строение реальной геоф
ческой среды определяет ряд ее специфических свойств,!
новным из которых (с точки зрения негативных последа
техногенной деятельности) является накопление необрат*
проявлений в результате внешних возмущений с последу!
226
\
релаксацией. При этом масштаб релаксационных процессов мо-
может определяться не только масштабом внешнего воздействия,
но также значением внутренних напряжений, установившихся в
результате эволюции конкретйого участка земной коры. По-
Последнее означает, что казалось бы небольшие либо умеренные
по амплитуде внешние возмущения, вносимые в геофизическую
среду, например, в процессе человеческой деятельности могут
привести в отдельных случаях к весьма неприятным послед-
последствиям, сопровождающимся подвижками горных пород, оползня-
оползнями, землетрясениями.
Примером локального воздействия на геофизическую среду
является взрыв крупного заряда. С точки зрения механики де-
деформирования твердой среды крупномасштабное взрывное воз-
воздействие приводит к весьма значительным необратимым проявле-
проявлениям в большом объеме массива горных пород. При этом крупный
подземный взрыв может выступать как в роли самостоятельного
источника структурных аномалий либо неравновесных энергети-
энергетических полей, так и в качестве инструмента перераспределения
в пространстве изначально высоких тектонических напряжений
путем искажения естественной тектонической структуры. И в
том и в другом случае это приводит к образованию в породном
массиве области (либо нескольких изолированных областей),
характеризующейся неравновесным состоянием среды. Следствием
этого являются релаксационные процессы, в результате которых
среда стремится перейти в новое (отличное от начального)
равновесное состояние (с известным приближением допустимо
считать, что по сравнению с сильным механическим воздейст-
воздействием подземного взрыва флуктуацию естественных полей напря-
напряжений можно рассматривать в качестве квазиравновесного
состояния среды).
Указанный переход сопровождается явлениями, связанными с
высвобождением энергии. В рамках механики такими процессами
являются: подвижка отдельных структурных элементов массива
горных пород и его локальные разрушения. При этом необходимо
отметить, что собственно разрушение горной породы - процесс
весьма малой энергоемкости [28], поэтому более предпочти-
предпочтительным способом релаксации является сдвижение отдельных
блоков породного массива.
Структурные элементы геофизической среды, испытывающие
подвижку, могут иметь естественное происхождение (размер и
архитектура определяются естественной тектонической нарушен-
ностью массива) либо образоваться в результате разрушения
массива при взрыве. При этом, если в среде изначально при-
присутствуют поверхности либо зоны ослабления прочности, разру-
разрушение (формирование поверхности сдвижения) происходит по
Указанным зонам либо в непосредственной близости от них.
Относительное сдвижение отдельных структурных элементов
массива горных пород сопровождается излучением сейсмических
*олн разной интенсивности.
227
Помимо указанных причин высвобождения запасенной в с
энергий сейсмические эффекты при подземных (в частвд
ядерных) взрывах могут порождаться процессом, не связанна
накоплением либо перераспределением энергии: обрушением
ной породы, расположенной непосредственно над камуфлс
полостью. Однако указанные процессы носят локальный харй
и не представляют интереса с точки зрения экологических
следствий крупномасштабного взрыва. Их выделение из об
сейсмического процесса, как показывает опыт, облегчается
личием у них характерных признаков: частота колебаний оз
1-2 Гц, длительность - 10-50 с, слабовыраженные вступлеш
главное - размещение сейсмических источников в непосрс
венной близости от полости либо столба обрушения.
7.1. МЕТОДИКА СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Регистрация остаточных сейсмических проявлений в ок|
ности подземных ядерных взрывов проводилась в аналоя
виде и с помощью автономной цифровой станции К-ПРС [9
качестве первичных преобразователей использовались сей
приемники типа СМ-3 со встроенными предварительными усн|
лями. Структурная схема измерительного комплекса
(рис. 7.1) центральный пункт сбора и накопления сейсмич^
информации и несколько выносных периферийных пунктов pea
рации, размещенных на местности. ¦
При регистрации сейсмических сигналов в аналоговом ¦
периферийный пункт оснащался сейсмоприемником СМ-3 с в
омной B кОм) катушкой для согласования выхода перв
преобразователя с выходом усилителя. В применяемых сейа
ских каналах использовались полевые измерительные усилЗ
конструкции .С.К. Дарагана с широким диапазоном регули
усиления от 2 до 1 (г.
Рис. 7.1. Блок-схема реп
1 - датчики; 2 - согласующие усилители; 3 - блок формирования
ристик; 4 - усилитель; 5 - регистратор видимой записи; 6 - АЦП; 7\
долговременной памяти; 8 - блок точного времени
228
Непосредственная регистрация сигналов проводилась с помо-
помощью гальванометров ГБ-1У-С5 с собственной частотой 5 Гц,
установленных в электромеханическом осциллографе 0МС-2М.
Сквозное усиление каналов регистрации выбиралось в соответ-
соответствии с уровнем сейсмического фона и составляло около
1,6-105. Сейсмическая информация в виде аналогового сигнала
фиксировалась на фотобумаге, размещенной как в стандартных
кассетах вместимостью 10 м, так и в специально сконструи-
сконструированных кассетах повышенной вместимости (до 50 м).
В случае использования цифровой измерительной системы
периферийные пункты оснащались сейсмоприемниками СМ-ЗКВ со
встроенными предварительными усилителями или трехкомпонент-
ной сейсмической установкой типа ССИ, хорошо зарекомендо-
зарекомендовавшими себя при работе в полевых условиях, а также авто-
автономными источниками питания. Каждый периферийный пункт был
связан с центральным пунктом сбора и накопления информации
4-проводной кабельной линией для передачи сейсмических
сигналов и приема сигналов калибровки.
Предварительное усиление сигналов непосредственно на
пункту установки каждого датчика обеспечивало надежную
помехозащищенность измерительного тракта и имеет принципи-
принципиальное значение при удалении периферийных пунктов от центра
более чем на 500 м. Особую роль это играет при измерениях
вблизи промышленных электроустановок.
Полевое периферийное оборудование образует сеть сейсмоках
налов, на основе которой можно строить площадные сейсмиче-
сейсмические измерения.
В качестве центрального пункта сбора и накопления и»
мации служил полевой вариант автономной цифровой сейсми-
сейсмической станции типа К-ДРС. Основные эксплуатационно-
технические характеристики регистрирующего комплекса приве-
приведены ниже.
Число каналов регистрации 6
Частотный диапазон регистрируемых сигналов
при передаче по кабельной линии, Гц 0,1-30
Максимальная амплитуда регистрируемых
сигналов, В
Динамический диапазон цифровой регистрации, Дб 66
Идентичность амплитудно-частотных характеристик
каналов регистрации, %
Частота дискретизации на канал, Гц 83
Стабильность частоты опорного генератора 2" 10*
Время цифровой регистрации и непрерывном
Режиме, ч 3
Регистрирующий комплекс позволяет вести прием аналоговых
сигналов одновременно по шести каналам, оборудованным вход-
входными фильтрами с частотой среза 25 Гц и согласующими усили-
*елями. С выхода блока согласующих усилетелей аналоговые
229
г
Шум-6
СМ- ЗКВ
HR-30E
in то
Рис 7.2. Схема регистрирующего комплекса
сигналы подавались на регистраторы видимой записи (РВЗУ
блок цифрового преобразования, откуда в виде параллельщ
11-разрядного двоичного кода записывались на магнитную ле*
накопителем JIMP-VIM. При использовании входных фильтров к;
тизна правостороннего среза частотного диапазона каналов
ставляла не менее 60 Дб на октаву. Выбор частотной харак^
ристики канала был обусловлен ожидаемым спектральным cod|
вом остаточного сейсмического поля A-20 Гц), а также
ходимостью подавления силовых промышленных помех часто|
50 Гц. i
Калибровка сейсмических каналов проводилась генератор
методом в начале и по завершению наблюдений, а также f
изменения конфигурации сейсмической сети.
Сейсмоприемники располагались в специальных приямках п
биной около 0,5 м. Для предотвращения смещения первиче|
преобразователей в момент основного (взрывного) воздейстй
они были закреплены четырьмя металлическими штырями, вбиты
в грунт. Предварительные усилители вместе с автономн
источником питания располагались вблизи сейсмоприемников.'
Основная регистрация аппаратуры, а также системы автон*
ной автоматики и службы времени размещались в ПАУ, распа
женном в центре поля измерений. Для защиты от основного в
действия указанная аппаратура размещалась на специаль|
230
30
20
10
о
3
10 20 30 40 50 60
70
80
90 100
Время, С
110
Рис 7.3. Результат спектрально-временного анализа участка
записи, содержащего полезный сигнал D) (полоса пропускан
октавы):
1-3 - центральная частота фильтра, соответственно 6,8; 8,0 9,6
сейсмической
ра 0,5
раме, подвешенной на упругих растяжках, так что собственный
период всей механической системы составлял около 1 с.
В связи с интенсивным псевдосейсмическими помехами в
дневное время (движение автомобильного транспорта и т.п.)
основная регистрация проводилась в ночное время сеансами по
12-20 мин каждый час (длительность отдельных сеансов состав-
составляла 2,5-3 ч). Включение и выключение аппаратуры осуществля-
осуществлялось с помощью специально разработанной автоматики.
В процессе проведения исследований была также испытана и
рекомендована к использованию в методиках контроля подзем-
подземных ядерных взрывов схема измерительного комплекса на ос-
основе портативных измерительных магнитофонов типа HR-30
(рис. 7.2.).
Специально разработанное программное обеспечение позво-
позволяло проводить анализ сейсмических записей в режиме "о// -
line" с выделением полезного сигнала, определять его ампли-
амплитудно-частотные характеристики, осуществлять локацию очагов
афтершоков и определять их геометрический центр.
Выделение полезного сигнала на фоне естественного сейсми-
сейсмического шума проводилось на основе частотной селекции. Выбор
оптимального фильтра осуществлялся с помощью спектрально-
вРеменного анализа [43]. Указанный метод реализовался путем
Проведения скользящей оценки интенсивности сейсмических ко-
231
лебаний в различных частотных интервалах. При этом на
грамме время-частота полезному сигналу соответствует
повышенных значений интенсивности, которая определяй
частотный диапазон и размещение сигнала на временной оё
(рис. 7.3). '%
Локация (определение координат) афтершоков осуществляла*
следующим образом. По сейсмическим записям, полученным с и
мощью малоапертурной сети пунктов регистрации, по максиму^
взаимной корреляционной функции определялись разности врем
прихода сигнала к каждой паре пунктов. Область возможных т$
ложений гипоцентров афтершоков покрывалась сеткой точ!
II
i с некоторым шагом h и определялась точка Ц
в которой достигался минимум максимальной невязки разн
времен прихода (либо суммы квадратов временных невязок).
следующем этапе вычислений окрестность точки М покрывала!
О . '
сеткой точек с шагом Ai < Ао и вновь определялась точка Л
по тому же принципу. Указанная процедура повторялась до т.
пор, пока дальнейшее уменьшение шага разбиения не приводи*
к возрастанию максимальной временной невязки. Минимальщ
шаг разбиения пространства, при котором осуществлялся
чет, интерпретируется как точность определения гипоцентр
очага афтершока. В зависимости от конкретных условий
ведения эксперимента и качества сейсмической записи точное
локации очага составила величину от ±25 м до ±100 м.
7.2. ХАРАКТЕРИСТИКА АФТЕРШОКОВ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА
КАК СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ
Регистрация наведенной сейсмичности проведена в настоящ
работе при восьми подземных взрывах эквивалентной мощности
от 0,3 до 150 кт в скальных массивах гранитоподобного типа.
-¦К-"
Опыт
# * * 4 4 *
Эквивалентная
мощность, кт
Глубина
взрыва, м . . .
Характеристика
среды
С, 1/ч
*#• + •« +
f * * h * ж 4
Някр.лрнны
1
10
560
Слабо
нару-
нару2 3
20 0,3
550 68
Сильно-
нарушен-
шенные ные
граниты граниты
220
0,6
0,6
р тгзггы
2600 10
1,0 0,2
1,2 1,2
rom сейсми1
4 5
150 150
600 600
Гранито- Пес
подобные
породы
средней
нарушен-
нарушенное™
400 540
0,7 0,7
0,65 0,65
ческие явлен!
6
10
791
чаники
20
0,4
0,6
*
ия (acb
7
6
500
Граниты,
сланцы
-
—
теопток*
8
1,8
100
'fcl
той;
ставляют собой последовательность сейсмических событий
232
Кенам С-Ю
Рис. 7.4. Афтершоковый сигнал
050-
о,г$-
5" W 15 ZQ ZS JO 35 40 «5
Спектор мощности адтзершонового сигнала
59
Рис. 7.5. Спектр мощности афтершокового сигнала
N
1000 г
100
Рис. 7.6. Зависимость ко-
количества афтершоков от маг-
нитуды
1
О 1
4 М,
г
ного масштаб. Характерная форма афтершокового импульса
его участотный спектр представлены на рис. 7.4 и 7.5. В
щей сложности (регистрация проводилась сеансами) в конк
ном эксперименте регистрируется от 100 до 2500 афтершока
Время существования наведенной взрывом сейсмичности опреде*
лялось многими факторами и, как показали наблюдения, соста
вило в разных экспериментах величину от 5 сут до 2,5 мес.
В частности, при взрыве "Бенхэм" (США, мощность 1100 кя
[76], магнитуда по объемным сейсмическим волнам составляем
6,3) было зарегистрировано 2012 афтершоков. Наиболее мощны*
афтершоки с магнитудой М. до 4,4 (местная Рихтеровская|
наблюдались в первые 6 сут. В качестве иллюстрации Hi
рис. 7.6 приведено распределение афтершоков, зарегистри-
зарегистрированных при взрыве "Бенхэм" по магниту дам Л/.. Аналитическая
зависимость N (М-), где N - количество сейсмических событий
с данной магнитудой МТ7 представима в виде
- 3,48*0,81 Mv
Как любой другой релаксационный процесс, наведенная взры
вом сейсмическая эмиссия носит нестационарный характер: амп?
литуда сейсмических событий, их повторяемость измеряются Щ
времени. В первые сутки взрыва "Бенхэм" все зарегистрирован
ные афтершоки имели магнитуду М, > 1,5; на пятнадцатые супа
количество афтершоков с такой магнитудой составило 15%; №
40-е - 5%. В качестве примера на рис. 7.7 показано изменения
относительного количества слабы афтершоков со временем
установленное в настоящей работе при одном из отечественный
экспериментов [6] (время отсчитывается с момента проведений
взрыва). Со временем характер амплитуды афтершоков в средне»
уменьшается. *
Повторяемость афтершоков. Одной из наиболее важных ха;
рактеристик афтершоковых последовательностей, отражающий
напряженное состояние, строение и другие свойства геофи
зической среды, является регулярность распределения щ
дельных сейсмических событий во времени. В качестве пример!
на рис. 7.8-7.10 приведено изменение наведенной сейсмиче-
сейсмической активности со временем при отечественных эксперимента!
и при взрыве "Бенхэм". Временное распределение афтершоко!
хорошо аппроксимируется зависимостью
cf\
GЛ)
где N(t) - число сейсмических событий в единицу времени; t
время с момента взрыва; с и А - эмпирические константы (ал
стр. 000). ¦;
С той достоверностью, которую обеспечивают эксперимен-
экспериментальные измерения, установлено, что степень изменения ин
234 f
тенсивности афтершоковых событий со временем для афтершо-
ков с разной граничной амплитудой примерно одинаково (см.
рис. 7.8). Необходимо отметить, что при взрыве в сильно на-
нарушенных массивах горных пород поствзрывная сейсмическая
эмиссия характеризуется более слабой интенсивностью и за-
заметно меньшими значениями степени Л (опыт 3 и 6). При этом
время существования остаточных сейсмических полей сущест-
существенно меньше, чем при взрыве в слабонарушенных прочных по-
породных массивах E сут в опыте 3 против 80 сут в опыте 2).
Характерно, что экспериментальная зависимость G.1) со-
соответствует временному распределению афтершоков естественных
и .техногенных землетрясений (закон повторяемости Омори
[71]). Как показано в работе [92], применение сейсмичности,
наведенной в результате антропогенной деятельности, со вре-
временем может быть описано зависимостью:
Cfh при t
N(t) ш ^Cexp(pt) при* >
?
Согласно [18] A - const, p - const, а конкретное значе-
значение h составляет около 100 суток. Вместе с тем имеются
данные [18] о том, что показатель степени h изменяется со
временем: частота возникновения афтершоков в ранние
моменты времени затухает как f1/2 (или f3'4), а с течени-
течением времени А —*• 1.
Энергия афтершоков. Сейсмическая энергия афтершоков в
эксперименте "Бенхэм" составила около 1 % от энергии взрыв-
взрывной волны, которая, в свою очередь, составила 2,6% от
энергии заряда [76]. В то же время распределение энергии по
афтершокам различной магнитуды существенно неравномерное
(рис. 7.11). Так в трех афтершоках с магнитудами 4,4; 4,3 и
4,1 выделилось 90% от суммарной сейсмической энергии всех
афтершоков, в то время как сейсмическая энергия афтершоков
с магнитудой 0 < М, < 1,3 составила лишь 0,005%.
Приведенные данные можно рассматривать как типичные для
крупномасштабных подземных взрывов. Однако известны случаи
(хотя и единичные), когда энергия афтершока существенно пре-
превышает энергию взрыва. Последнее может произойти в том слу-
случае, когда значительный по объему участок массива горных по-
пород с большим запасом тектонической энергии находится в со-
состоянии неустойчивого равновесия. В этом случае подземный
взрыв может явиться спусковым механизмом для землетрясения.
Примером подобного техногенного землетрясения может слу-
служить крупное сейсмическое событие, произошедшее 16 апреля
1989 г. в районе Кировского рудника ПО "Апатит" после про-
проведения массового взрыва [65]. Взрыв 230 т ВВ на горизонте
+252 м представлял собой обычный массовый взрыв для отбой-
отбойки очередного блока горной породы. Система замедлений
г
235
N/NOl
100
50
SO
120 t,u
Рис 7.7. Зависимость отно
стельного количества
тершоков с амплитудой, не
превышающей 400 нм/с от
времени
Рис 7.8. Интенсивность
вягельности афтершоков со
в опыте 2:
1 - > 300 нм/с; 2 - >
3 - > 6000 нм/с
последб
времен^
нм
/I
1000 2000
Рис 7.9. Интенсивность
тельности афтершоков со
опыте 1
Рис 7.10. Зависимость количества
тершоков при взрыве "Бенхэм от времени
(время отсчитывается с момента взрыва)
>ис 7.11. Зависимость энергии афтершоков от маг- ЕЛ*
[итуды сейсмических событий w г
10
11
о
оо
10*.
о°о°
о
о
о
о
о
о
о
о
о
10
О 1 2 3 4
последовательным взрыванием вееров скважин занимала интер-
интервал 460-500 мс. Именно в этом интервале с некоторой за-
задержкой от начала взрыва произошло землетрясение, которое по
сейсмическому эффекту в эпицентре имело силу 6-7 баллов. В
г. Кировске, отстоящем от эпицентра на б км внешние про-
проявления соответствовали 4-5 баллам. Магнитуда землетрясе-
землетрясения ML - 4,8+5 соответствует сейсмической энергии ЛОг Дж
(для сравнения сейсмическая энергия взрыва составляет
10Ч<Р Дж).
Соотношение между количеством афтершоков разной интен-
интенсивности. Привлекая материалы инструментальных наблюдений,
можно установить основные закономерности формирования аф-
афтершоков как некоторых событий, сходных по своей природе с
афтершоками землетрясений, и в первую очередь - землетря-
землетрясений антропогенного происхождения. Как известно [25], од-
одним из наиболее важных соотношений, характеризующих сейс-
сейсмический режим конкретного участка земной коры, является
зависимость, связывающая повторяемость сейсмических событий
с величиной их магнитуды (Гутенберг - Рихтер):
- ЬМ,
G.2)
где N\ - число сейсмических событий с магнитудой, большей
или равной М; А и b - эмпирические константы. Не касаясь на
237
О
2,5
1,5
1
0,5
2
1
2.5
Рис 7.12. Повторяемость афгершои
висимостн от амплитуды:
/ и 2 - соответственно опыты 1 и 5
0,5
Рис 7.13. Повторяемость афтершоков в
висимости от амплитуды:
1 и 2 - соответственно опыты 2 и 3
данном этапе вопроса об определении и установлении магнитуд
афтершоков, проанализируем зависимость величины Мт от амплд
туды афтершока Л>. Воспользуемся завю
сейсмического события Е и его магнитудой [25]
lgE - 11,8 + 1,5М.
G.3)
Так как полная сейсмическая энергия связана с амплитуде)
Ло зависимостью [25]
G4
Е -
где ко » 3n2pcxoTi/?, получаем с использованием G.2)-G.4)
238
37*16'
• •
«ОО
• •
• • • ••
оо •
ооо» • о
• •о •
о
о о •
о«о
о
о ооо
• «ооо ••
о о о • о оо о
оо оо ооо •
- оооооо о оо
• •• ОО О* Оо О
•ООООО 0О«|О О •
••• о оо оо оо
•о оооооо • •
• *ооо о •• • •
• оо»о • • о
•••О «О о ••••
ооо •
77^7/ /** • ••••••• •••
О7 1ч U о о о • • •
too ооооо • «о
• ••о
о»
оо«
S3
оо
1
6«оо?о««
•••оооо
оо
•оо оо
ооо о
ооооо
ооо«« о«
•оооо
оо ооо
• OOOf* О
• о*о о*
ооооо оо
••о ••о
37°1Z'
37° 10'
• о о*
оо •
о ооо
оооо
оо о
••о
о ооо.
о«оо
ооо
о «оо
• .
о "
- во
• о •
• о
ооо«*«
•
о» о
•о
о • «о
• О
• о •
о*
1
116°30'
Западная долгота
Рис. 7.14. Распределение очагов афтершоков при взрыве "Бенхэм; (крестом
обозначено место проведения взрыва)
Ах -
G.5)
Здесь: рис- соответственно плотность среды и скорость
распространения сейсмических колебаний в ней; /о - его пре-
преимущественная частота; п - расстояние от очага до пункта
регистрации; т0 - длительность сигнала.
С использованием зависимости G.5) легко восстанавливают-
восстанавливаются значения параметра Ь в зависимости G.2) для разных
экспериментов. Результаты обработки некоторых экспериментов
представлены на рис. 7Л2 и 7,13. Несмотря на сильно отли-
239
Рис 7Л 5. Распределение афтершоков
глубине (эксперимент "Бенхэм")
2 3 4
Глубина ,км
3
Рис 7.16. Распределение эпицентров аф
тершоков по азимуту (опыт 1) при амшш
туде афтершоков > 2500 нм/с (У), от 12$
до 2500 B), от 400 до 1250 нм/с E)
1000м
Рис 7.17. Распределение эпицентров
афтершоков по глубине (опыт 1).
Обозначения см. рис. 7.16.
Таблица 7.1
Пространственное распределение афтершоков взрыва
Квадрант
Количество афтершоков (%) с амплитудой, нм/с
Свыше 400
400-1250
1250-2500
Свыше 2500
1
2
3
4
19
7
18
56
20
10
30
40
18
9
22
51
18
4,5
77,5
чающиеся условия экспериментов
руется не сильно:
Ь - 0,6*1,2.
величина параметра Ъ варьи-
Локация очагов поствзрывных сейсмических явлений пред-
представляет особый интерес, поскольку пространственное распре-
распределение событий не только указывает на величину зоны нерав-
неравновесного состояния среды, но и позволяет судить также о
роли структурно-тектонического строения среды в формировании
неравновесных энергетических полей при крупномасштабных под-
подземных взрывах.
Из 2000 афтершоков, зарегистрированных в эксперименте
"Бенхэм", удалось установить координаты 857 событий [76]
(рис. 7.14 - и 7.15). Результаты локации показали, что очаги
афтершоков расположены в области с размерами 20x28 км. При
этом 95% афтершоков удалены от эпицентра взрыва не более,
чем на 14 км. Эпицентры афтершоков не привязаны ни к одному
из известных тектонических разломов Невады, однако направ-
направление вдоль которого вытянута область, занимаемая эпи-
эпицентрами, совпадает с направлениями основных разломов в
этом регионе (очаги 99% афтершоков расположены в области с
размерами 5x9x15 км). При этом следует отметить, что 94%
афтершоков произошли на глубине 1-5 км (не зарегистрировано
ни одного афтершока вблизи свободной поверхности). Последнее
можно объяснить невозможностью накопления более или менее
значительных запасов упругой энергии в приповерхностных
участках земной коры.
Результаты локации очагов афтершоков в одном из отечест-
отечественных экспериментов приведены на рис. 7.16-7.17. Видно, что
эпицентры афтершоков группируются вокруг взрыва существенно
несимметрично. В качестве иллюстрации в табл. 7.1 приведено
распределение эпицентров афтершоков, полученное в опыте 1.
В целом следует отметить, что практически все очаги
афтершоков находятся в зоне локальных необратимых проявлений
подземного взрыва вне зоны интенсивного разрушения, т.е. на
относительных расстояниях (м/кт1/3)
100 <
< 1000,
241
локированных произошли в зоне разрушения
расстояниях rfcr* - 65 и 74 м/кт1^ от взрыва.
где q - мощность взрыва, кт.
В частности, в опыте I лишь 2 сейсмических события из
на относительн
расстояниях riq4J - 00 и /4 м/кт1'* от взрыва
Статистическая оценка повторяемости афтершоков. Beci
важной характеристикой с точки зрения описания и прогнозй]
вания наведенных взрывом сейсмических полей является пов
ряемость афтершоков (количество сейсмических событий в ej
ницу времени). Сложность причинно-следственных связей мея
поствзрывными эффектами и основным (взрывным) воздействв
исключает возможность построения детерминированной мате]
тической модели афтершоков. По этой причине для анал]
повторяемости афтершоков следует привлечь статистичеа
методы. В этом случае генеральная совокупность возможр
значений повторяемости событий представляет собой
дискретных событий 1, 2, 3, ..., п. При этом следует от1
тить, что построение вероятностей математической модели щ
можно только в случае описания случайных событий, каждое
которых происходит независимо от других (либо при nposejj
гипотезы независимости).
Оценить, носит ли процесс возникновения афтершоков в
лом случайный характер, можно следующим образом. Будем
сматривать напряженный породный массив в окрестности кр
масштабного взрыва в виде большого количества потенци
очагов сейсмических возмущений, каждый из которых може!
малой вероятностью проявиться независимо от состояния д|
гих очагов. В этом случае повторяемость афтершоков (част
их наступления в единицу времени) является случайной
чиной.
Наиболее подходящим для нашего случая распределен*
вероятности дискретной случайной независимой величины .
ляется распределение Пуассона: дискретная случайная велич|
распределена согласно закону Пуассона, если она принт*
бесконечное счетное множество значений 0, 1, 2,
вероятностью
рх(к) - АVх/*!,
где А - параметр распределения.
Обозначим через А/ промежуток времени, между двумя
следовательными афтершоками. В соответствии со сделанщ)
предположениями параметр Дг представляет собой случай!
величину. Так как событие Дг > t эквивалентно тому, что*
промежуток времени t не будет зарегистрировано ни одй
афтершока, записываем функцию распределения в виде
?
РШ < t) - 1 - е~Ч G;
i
Легко оценить расхождение между теоретической невер
242
AN/N1t%
40
400 " 1000
Рис. 7.18. Относительное отклонение параметра повторяемости афте рш оков
от прогнозного значения, полученного на основе статистического анализа с
помощью распределения Пуассона:
I - опыт 1; 2 - опыт 3
ностью повторяемости рассматриваемых событий и фактической
вероятностью их наступления, установленной эксперимен-
экспериментально, задаваясь параметром Л = т^1 в качестве яг
приближения при описании потока случайных событий, где т+ -
генеральное среднее значение параметра Att взятое из экс-
эксперимента.
В качестве параметра, характеризующего отклонение реаль-
реального распределения повторяемости афтершоков от пуассонов-
ского, выбираем величину
- N
Ш/Nr - —
где N* - количество афтершоков со временем следования At < t
зарегистрированное в эксперименте; NT - та же величина,
рассчитанная с помощью зависимости G.6).
Результаты численных оценок представлены на рис. 7.18,
откуда следует, что пуассоновское распределение описывает
повторяемость афтершоков с достаточной для практических оце-
оценок точностью только в области Ы > 2т*. Для малых времен
следования At < т# наблюдается значительное отклонение фак-
фактического распределения от теоретического. Последнее допус-
допустимо рассматривать как указание на коррелированный характер
части афтершоков с малыми временами следования: заметное
количество афтершоков с малыми At обусловлено высвобожде-
высвобождением энергии в близкорасположенных очагах. Отметим, что
подобное отмечается и при анализе афтершоков крупных зем-
землетрясений [71],
Формирование последовательности афтершоков si, i « 1, 2,
3, ..., п в районе проведения ПЯВ, как уже отмечалось, свя-
связано с высвобождением упругой энергии, накопленной в среде
243
за предшествующий период времени. Естественно полагать,
конкретное сейсмическое событие s. обусловлено разгрузк
вполне определенного по величине объема V. участка породно
массива. При этом остается .открытым вопрос была ли вые
лившаяся энергия запасена в результате взрыва или же ее
Illf
8
пас явился действием тектонических сил, а взрывное возде
вие сыграло лишь роль спускового механизма. Вопрос этот
нов, поскольку сейсмическими явлениями, порожденными кру
масштабным воздействием на геофизическую среду, занимались
ранее. Примером такого крупномасштабного возмущения, в
зультате которого (так же как и в случае подземного ядер
го взрыва) возникают сейсмические явления, является зап
ненке искусственных водохранилищ [18]. Проведенные в
случае специальные исследования показали [18], что основ
причиной возникновения землетрясений являются тектонич
напряжения. Основанием для этого послужит тот факт,
возникающие в среде напряжения при наполнении водохранил
не соответствуют величине высвобождающейся при наведенны
Землетрясениях энергии. Так для озера Кариба (Африка), *
мого крупного в мире водохранилища (объем 175 кьг), макС|
мальное увеличение вертикального нормального напряжен^
оценено в 0,67 МПа, а горизонтального - не более, чем
0,21 МПа [81].
Эти напряжения, во-первых, малы по сравнению с прочности
горных пород, достигающих 100 МПа, а во-вторых, не способе
вызвать больших землетрясений. Как известно [18], быстр
наполнение озера Кариба в 1959 году вызвало интенсивна
сейсмическую активность (с 1961 по 1962 г. зарегистрирова!
более 2000 толчков, а за период с 1959 по 1968 г. 1
землетрясений с магнитудой > 2,0; в дополнение к этому I
период с 1969 по 1971 г. указывается [73] еще около 1
землетрясений с магнитудой > 2.5).
При этом следует отметить, что максимумы сейсмической
тивности совпали с максимумами уровня озера. Так 23 сентяб|
1963 года в районе озера зарегистрировано максимальи
землетрясение с магнитудой 6. Сдвиг по времени между пик<
уровня воды и сейсмическим событием составил 1,5 мес. >
Приведенные данные нельзя напрямую переносить на.случ
подземного ядерного взрыва хотя бы по той причине
источники механического возмущения при сосредоточенном взр!
ве и создании нагрузки, распределенной по большой площщ
существенно различны. Более того, при наполнении вод
хранилищ значительную роль в формировании сейсмического s
жима играет первое водонасыщение [18] (эффекты, связаннЦ
с изменением первого водонасыщения при подземном ядер»
взрыве в настоящее время не изучены). Тем не менее а
необходимо иметь в виду при анализе причин возникновен
релаксационных процессов при взрыве.
Принципиальное сходство афтершоковых явлений при взрыв*
244
землетрясениях, вызванных наполнением крупных искусственных
водоемов (и в том, и в другом случае это - следствие антро-
антропогенного возмущения среды) позволяет нам использовать не-
ненекоторые подходы к изучению рассматриваемого явления, сфор-
сформулированные в результате обобщения и анализа большого фак-
фактического материала по сейсмичности зон, непосредственно
прилегающих к крупным водохранилищам.
Здесь необходимо отметить, что амплитуда регистрируемых
афтершоков техногенного возмущения не является монотонной
функцией времени: в афтершоковой последовательности постоян-
постоянно перемежаются события разной интенсивности. В этом случае
афтершоки малой амплитуды, примыкающие по времени к сейсми-
сейсмическому событию, значительно отличающемуся по интенсивности
(главное событие), могут иметь как независимый, так и кор-
коррелированный с ним характер. При этом коррелированные собы-
события могут предшествовать крупному афтершоку (форафтершоки)
либо следовать сразу за ним (постафтершоки). Объединяя
частоту проявления форафтершоков и постафтершоков на времен-
временной шкале, мы можем получить некоторую обобщающую схему, ко-
* торую допустимо назвать моделью форафтершоков - постафтершо-
постафтершоков. В частности, в работе [86] на основе анализа большого
экспериментального материала предложено три типа указанных
моделей, различия между которыми определены особенностями
структурного строения среды и характером пространственного
распределения действующих напряжений.
Модель 1. Главное событие не предваряется форафтершоками
и сопровождается большим числом постафтершоков. Это наблю-
наблюдается в однородных средах с равномерно распределенными
напряжениями.
Модель 2. Если среда недостаточно однородна или же дейст-
действующие напряжения распределены в пространстве неравномерно,
главное событие сопровождается постафтершоками и небольшими
форафтершоками.
Модель 3. В случае весьма неоднородного строения среды
либо наличия зон высокой концентрации напряжений, а также в
случае сочетания этих факторов, количество и величина фораф-
форафтершоков и постафтершоков примерно одинаковы.
Проанализируем с этих позиций данные, полученные при
наблюдении последовательностей афтершоков подземных ядерных
взрывов. Одним из результатов настоящей работы является
установление коррелированного характера афтершокдв с малыми
временами следования А*. Выделим среди этих сейсмических
событий главное (по величине амплитуды) и определим в каком
количестве случаев малые времена следования соответствуют
форафтершокам и постафтершокам. Результаты анализа событий с
временами следования Л? < 10 с, зарегистрированных в разных
экспериментах, представлены в табл. 7.2 в виде относительно-
относительного количества (%) случаев, в которых главному событию пред-
предшествует форафтершок.
245
Таблица 7.2
Относительное количество (%) случаев
Отношение амплитуды
главного события к
амплитуде
1
Эксперимент
5
6
'А
I
1
1
2
3
10
60
74
50
50
73
82
77
75
Как видно из данных, представленных в табл. 7.2, кол#
чество форафтершоков и постафтершоков для событий с малн
ми временами следования отличаются не сильно. Это означа
(в рамках известных допущений), что формирование последов
тельности афтершоков подземных ядерных взрывов происходит!
целом в соответствии с третьей моделью. То есть высвобол$
дение энергии, запасенной в среде, происходит в условиях
однородного строения среды и при наличии зон концентраций
напряжений.
7.3. ОЦЕНКА РЕЛАКСИРУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
В БЛОЧНОЙ СРЕДЕ
Оценим напряжения, релаксация которых сопровождаете
сейсмическими событиями, зарегистрированными в эксперимев
тах. Для этого зададимся механизмом генерации сейсмически
колебаний. ¦{
В настоящее время разработано несколько физических моде
лей сейсмического очага. Наиболее удобным с точки зреня
практических оценок является представление источника сей(
мических колебаний в виде двупараметрического множества
чек поверхности, подверженных действию ньютоновых сил [1
В. зависимости от конкретного физического смысла, вкладыв
мого в термин "разрушение", возможны две интерпретации
модели. В первом случае, когда под разрушением понима
механический процесс уменьшения энергии сцепления при нар
шении связи между частицами, находящимися по обе сторо
некоторой поверхности (поверхность разрушения), генерир
вание цуга знакопеременных колебаний происходит в результ?
те зарождения и прерывного распространения трещины в прс
странстве [13]. В том случае, когда в среде имеется иерай
хическая структура в виде блоков разного масштабного ypoi
ня, генерация сейсмической волны происходит в результат
прерывных подвижек блоков. '
В дальнейшем будем представлять реальную геофизическую
среду в виде совокупности иерархически соподчиненных стру|
246
элементов (блоков). Будем считать, что размер сейс-
сейсмического источника совпадает с размером одного из блоков.
Примем механизм излучения знакопеременного колебания в виде
сдвижения блока [13]: движение блока перемежается
остановками. После очередной остановки движение возобнов-
i через
т « 2L/ci,
где ci - скорость распространения поперечных волн в блоке с
линейным размером L.
Поскольку блок покоится в течение половины периода излу-
излучаемой волны, получаем
« l/2/o
и, следовательно,
L * Ci/D/0).
Последнее соотношение позволяет оценивать размер струк-
структурного элемента, подвижка которого инициирует излучение
сейсмического афтершокового сигнала.
Записывая выражение для остаточных внутренних напряжений
в среде при необратимом согласованном формоизменении блоков
(после снятия взрывной нагрузки) в виде (см. разд. 5.5)
Дсг « -^ (Yx - 2У)еф,
где Y и Yi - соответственно модуль деформации среды и участ
ка ослабления прочности, е* - пластическая деформация, по
лучаем с учетом величины стесненного поворота блока;
- 4ау(г)ту
« —
UL
G.7)
Здесь а ¦¦ Yi/Y; vb(r) и т - соответственно максимальная
массовая скорость и длительность взрывной волны сжатия на
расстоянии г от взрыва.
Представляя в G.7) выражение для L, получаем
и 1б<ХУо(г)Т/оУ
Привлекая для оценок результаты локации эпицентров афтер-
шоков, легко оценить величину релаксирующих напряжений Д<г.
Для а - 10*2, /о - 10 Гц, Y - 5-1010 н/м, а « 3000 м/с по-
получаем
0,06 < Лег < 2,5 МПа.
Для сравнения: остаточные сжимающие напряжения в среде
вблизи границы зоны разрушения среды достигают 10 МПа [61],
что заметно превышает релаксирующие напряжения. Этот факт,
я также существенно несимметричное расположение эпицентров
247
афтершоков вокруг взрыва свидетельствует о значительной роли
структурного строения геофизической среды в формировании
неравновесного энергетического поля при подземном взрыве.
7.4. О ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ЗА ПРОВЕДЕНИЕМ
ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ
ПО ОСТАТОЧНЫМ СЕЙСМИЧЕСКИМ ПРОЯВЛЕНИЯМ
Необходимость создания надежных способов контроля :
соблюдением договорных обязательств стран-обладателей яде{
ного оружия выдвигает в ряд наиболее актуальных проблей
идентификации и обнаружения очагов подземного ядерно»
взрыва. Одним из перспективных способов решения этой зада
представляется выделение и геофизическая интерпрет,
поствзрывных сейсмических проявлений в районах преда»
гаемого проведения подземных ядерных взрывов. Методю
позволяет не только контролировать проведение работ на nj
лигоне, но и устанавливать более точные координаты взрыв
а также оценивать мощность взрыва и глубину его проведения;.
Значительные напряжения и деформации, достигаемые щ
крупномасштабном подземном взрыве, приводят к нарушение
естественного равновесия среды. Возникающие вследствие это!
релаксационные процессы определяются амплитудой и при
странственным масштабом взрывного воздействия. Характеру
тики сейсмических колебаний, сопутствующих релаксации, мо
быть с успехом использованы для установления координат
мощности проведенного ядерного взрыва.
Следует отметить, что релаксационные процессы протекаю
земной .коре постоянно вне зависимости от того, находи"
среда в своем естественном состоянии либо возмущена в
зультате крупномасштабного воздействия техногенного про
хождения. И в том, и другом случае по мере накопления \
обратимых проявлений, связанных с поглощением и пере
пределением энергии, поступающей извне, среда может п
ходить в неравновесное состояние. Последнее в свою оче
ведет к возникновению диссипативных процессов, вызываем)
релаксацией аномально высоких напряжений на неоднородное*
разного масштаба. ;
Примером релаксационного процесса, вызванного действие
природных возмущающих факторов, может служить такое изв
ное природное явление как землетрясение. Нечто подоб
происходит в земной коре и при крупномасштабных техноге
воздействиях: строительстве и изменении режима эксплуатаг
водохранилищ [18], захоронении жидких промышленных отх<$
[9], крупных взрывах. Во всех случаях интенсивность
денных сейсмических явлений в среде определяется величие)
внешних возмущений.
Регистрация наведенных взрывом сейсмических проявле
248
(афтершоков), локация их очагов позволяет судить о состоянии
конкретного участка геофизической среды в плане его устой-
устойчивости получать косвенные данные о происходящих в нем
релаксационных процессах и, как следствие,- величине перво-
первоначального воздействия - мощности взрыва q. Амплитуда,
частотный спектр и время существования остаточных сейсми-
сейсмических полей в районе проведения подземного ядерного взрыва
позволяют проводить их регистрацию в течение продолжи-
продолжительного времени, достаточного для доставки и развертывания
регистрирующего аппаратурного комплекса в любом трудно-
труднодоступном районе.
Для целей контроля наиболее результативными величинами
являются: пространственная совокупность афтершоков разной
интенсивности; амплитудные характеристики сейсмических про-
проявлений; размер релаксирующей области.
Локация источников поствзрывных сейсмических проявлений
представляет особый интерес. Прежде всего это попытка решить
основную задачу инспекции, а именно: ограничить в про-
пространстве участок среды, возмущенный взрывом и определить,
таким образом возможные координаты источника. Однако с
учетом проведенных в настоящем разделе рассуждений решение
этой задачи может усложняться, если окажется, что основную
роль в формировании наведенных сейсмических полей играет
тектоника, а взрыву отводится лишь роль спускового меха-
механизма.
Таким образом, локация источников позволяет ответить еще
на один вопрос: что же является основной причиной афтершо-
афтершоков? В том случае, если очаги располагаются преимущественно
симметрично относительно источника взрыва, можно говорить о
слабом влиянии структуры среды на процесс формирования на-
наведенных сейсмических полей. Однако сразу ясно, что физика
источника заведомо предполагает наличие в среде структуры.
Действительно, в зоне разрушения среды, где напряжения,
достигаемые в волне сжатия, превосходят прочность горной
породы, возникновение новой трещины после взрыва представ-
представляется маловероятным. Вне зоны разрушения появление новых
трещин связано с наличием зон ослабления прочности, то есть
блочным строением среды.
Несимметричное расположение области очагов афтершоков
относительно эпицентра подземного взрыва (см. табл. 7.1,
рис. 7.16) усложняет определение координат взрыва. Однако,
как показывает опыт, . из полной совокупности зарегистриро-
зарегистрированных афтершоков всегда можно выделить выборку событий с
амплитудой в некотором конкретном интервале а% < Ао < а2,
геометрический центр которых близок к эпицентру взрыва.
В*случае необходимости осуществления контроля за выпол-
выполнением договора о частичном запрещении испытаний, преду-
предусматривающего ограничения на энергию ядерного заряда,
основным контролируемым параметром является мощность взрыва.
249
105
w
10
о-/
•-2
-3
Рис. 7.19. Радиус зоны наведенно
ности при взрывах в Неваде G) и
тинске B); 3 - расчет согласно
G,
сеис
емип
Для определения мощности воспользуемся особенностями про-5
странственного распределения афт ерш оков. Как известно,
величина амплитудных параметров взрывной волны сжатия на
разных расстояниях от взрыва г определяется его энергией. Щ
частности, максимальная массовая скорость (наиболее удобный?
для инструментальной регистрации параметр взрывного воз-
воздействия) для разных q изменяется с расстоянием г согласно
зависимости
где А и п - эмпирические константы, определяемые свойствами!
среды. ,1
Последнее означает, что размер области, в которой достиг
гаются одинаковые по величине необратимые изменения в среде*,
определяется мощностью взрыва. В настоящей работе на основ*
концепции блочного строения реальной геофизической средь*
получена зависимость между радиусом зоны локальных не
тимых деформаций Лфф (включая остаточную сейсмическую эми
сию) и эквивалентной мощностью взрыва q (кт) в виде*
¦
R
с</1/3, с - 103.
G.8)
На рис. 7.19 приведены экспериментальные данные, пол)
ченные при изучении подземных ядерных взрывов разной мощ
ности. Там же для сравнения нанесена зависимость G.8)
Видно, что в широком диапазоне изменения q результат»'
инструментальных наблюдений в целом подтверждают справед-
справедливость соотношения G.8). Это свидетельствует о принци-
принципиальной возможности установления мощности ядерного заряда
по результатам измерений остаточных сейсмических полей
Однако при этом необходимо учитывать, что на величину коэф<
фициента с существенное влияние могут оказать механически^
*Область локальных i
:; физический смысл вел
эыва, на kotodom возмож
обязателы
возможное
о симмет»
ъ .
расстояние
афтершоки.
250
Рис. 7.20.
максимальная амп-
1 - подземные ядерные взрывы; 2, 3 ~
взрывы химического ВВ соответственно на
р. Уч-Терек и ПО "Апатит"
40
10
1
0,4
0,1
1
10
характеристики среды в месте проведения взрыва и в особен-
особенности - ее структурно-тектоническое строение. В частности,
наличие крупных тектонических разломов либо перемежающихся
участков массива с сильно отличающимися свойствами способно
исказить картину распределения афтершоков. В связи с этим
необходимо отметить следующее.
Наиболее важный с точки зрения осуществления контроля за
проведением подземных ядерных взрывов участок зависимости
на рис. 7.19 A < q < 150 кт) исследован в условиях
Семипалатинского полигона. И хотя данные по крупным взрывам
(q > 10 кт), проведенным в США не противоречат установлен-
установленному соотношению G.8), для получения надежной величины
коэффициента с, обеспечивающей высокий доверительный уровень
оценки мощности q, необходимо провести аналогичные иссле-
исследования при взрывах в Неваде (США).
Как уже отмечалось, интенсивности релаксационных про-
процессов, а следовательно - амплитуда сопутствующих им сейс-
сейсмических колебаний а, определяется в первую очередь величи-
величиной внешнего возмущения. Действительно, принимая механизм
диссипации избыточной упругой энергии, запасенной в среде
при взрыве, в виде прерывистой относительной подвижки
структурных блоков 8 и учитывая вероятностный характер
пространственных флуктуации первоначального напряженно-
деформированного состояния среды, получаем с учетом величины
стесненного поворота блоков при взрыве (см. разд. 6.4).
а ~ Vo(r,q)T(r,q) л, q
где т ~(r/ql/*)m -
в волне сжатия (т
Поскольку рела
3
G.9)
> 0)
положительной фазы движения
напряжений
;ествляется на неод-
251
нородностях разного пространственного масштаба, а маки
мальный размер структурного элемента, деформирование ко1*
рого вносит преимущественный вклад в общую деформацию сред
а* » 2,3в°д мкм/с.
совпадает с размером диссипативной структуры, при ра
смотрении взрывов разного масштаба следует проводит ера
нение не по средней амплитуде афтершоков, которая о
ляется большим вкладом событий с малой амплитудой, а |
Максимальным значениям наблюдаемой в эксперименту амплиту
а - шах {а}. На рис. 7.20 приведена величина а , заре
рированная при ядерных взрывах разной мощности. Обобщаю
зависимость (сплошная линия на рис. 7,20) может быть п
ставлена в виде
алё
Приведенные на рис. 7.20 результаты демонстрируют возм
ность количественной оценки мощности взрыва по результа
регистрации остаточных сейсмических проявлений. По
области необратимых локальных проявлений в среде G.8):
q * 10-9Л|ф, G.
где I?** выражено в метрах, и по максимальной амплитуде
тершоков G.10)
где о* выражено в мкм/с.
В заключение следует отметить, что разрабатываемая ме*
дика может оказаться весьма полезной на всех стадиях %
ключения договора о контроле за проведением подземных яд?
ных взрывов. Данные, получаемые при регистрации наведен)!
взрывом сейсмической эмиссии, позволяют уточнять коордивд;
взрыва (мероприятие, необходимое для целенаправленного пр
менения высокоточных радиационнометрических методик Щ
установлении факта проведения необъявленного ядерного взр
ва), а также - оценивать мощность проведенного взрыва,
при одновременном использовании других сейсмических метод
может значительно повысить надежность и доверительную щ
роятность контроля. Параметры расчетных зависимостей G.|
и G.12) необходимо устанавливать отдельно для каждого |
питательного полигона при проведении контрольных взрыв
объявленной мощности.
8. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ
ПРИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ
ПОРОДНЫХ МАССИВОВ
8.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПОДГОТОВКИ ПОРОДНОГО МАССИВА
К ВЫЩЕЛАЧИВАНИЮ
I
Переход металла в подвижное состояние в процессе подзем-
подземного выщелачивания происходит в результате химического
взаимодействия металлосодержащих рудных минералов с хими-
химическим реагентом, подаваемым в выщелачиваемую массу. По
существу, технология подземного выщелачивания есть не что
иное, как гидрометаллургический способ переработки руд,
осуществляемый непосредственно на месте их залегания. Успеш-
Успешное осуществление процесса выщелачивания в подземных усло-
условиях определяется двумя основными факторами: достаточно
высокой степенью вскрытия металлосодержащих минералов и
возможностью беспрепятственной циркуляции рабочего раствора
в подготовленной к выщелачиванию рудной массе. Это опре-
определяет основную цель горноподготовительных работ при орга-
организации подземного выщелачивания в низкопроницаемых скальных
массивах, а именно: достижение требуемого гранулометри-
гранулометрического состава рудной массы, степень разуплотнения которой
обеспечивает фильтрационные характеристики, соответствующие
требованиям технологии. При этом средний размер отдельности
и дисперсионная характеристика гранулометрического состава
должны обеспечивать достаточную степень вскрытия металло-
сбдержащих минералов.
Задачи, стоящие перед геотехнологией, как самостоятельной
наукой, не ограничиваются простым использованием достижений
в других областях знаний для получения конкретных техноло-
технологических решений. Создание новых и дальнейшее совершенст-
совершенствование имеющихся геотехнических способов добычи полезных
ископаемых требует рассмотрения вопросов, каждый из которых
представляет самостоятельный научный и практический интерес.
Например, подготовка массива горный пород к выщелачиванию
может проводиться как с помощью традиционной взрывной тех-
технологии (отбойка с последующим магазинированием рудной массы
либо дробление породы в блоке), так и с использованием
крупномасштабного подземного взрыва.
Основная задача исследований в области подготовки горных
массивов к выщелачиванию заключается в разработке экономи-
экономически выгодных способов подготовки на основе максимально
возможного сокращения объемов горнопроходческих работ. В
этом смысле весьма перспективным представляется применение
скважинных способов геотехниче-
геотехнической подготовки породного м а с -
253
сива. Подготовка массива с помощью скважинных заряде
(бурение скважин осуществляется с земной поверхности) ceq
дит к минимуму необходимый объем горных выработок, чт
одновременно влечет за собой значительное сокращение эк<|
плуатационных и других расходов. |
Помимо непосредственного дробления породы важной инже
нерной задачей является обеспечение воздействия на микро
поровое пространство, поскольку даже незначительное раскрь§
тие микротрещин в процессе подготовки может привести к
метному увеличению выхода металла вследствие дополнител^
ного вскрытия металлсодержащих включений, а также облегча
ния доступа рабочего тела к последним. Воздействие на мий
V V
роструктуру подготавливаемой горной породы может проводил!
ся как параллельно со взрывным дроблением массива, так и
помощью специальных методов, например, детонацией жид к
ВВ в проницаемом пространстве, образовавшемся в результа
основного взрыва [38].
- Полнота извлечения полезного компонента при геотехнолй
гических способах разработки месторождений во многом опре
деляется пространственной однородностью гранулометрической
состава выщелачиваемой рудной массы. Возникающие в свя;
с этим задачи на стадии геотехнической подготовки масси
требуют дальнейшего совершенствования имеющихся и разрабс
ки новых методов повышения равномерности дробления пород
Особое значение это имеет при использовании крупномасшт'
ных взрывов, когда возможности для рассредоточения заряд
ограничены.
Круг вопросов, возникающих при выборе либо разработк
конкретных схем подготовки массива к выщелачиванию, *
ограничивается рассмотрением методов увеличения степени
равномерности дробления породы в пределах отрабатываемо!
блока. Помимо интенсификации собственно подготовки необх
димо разрабатывать мероприятия, обеспечивающие целостное!
сопредельных участков в целях исключения нежелательная
миграции химически активного реагента за пределы выщелачв
ваемой рудной массы. Указанные мероприятия включают в сей
не только применение традиционных способов локализации reqi
технологического процесса, таких как предварительное nepda
крытие открытых трещин (разломов) и создание искусственны'
противофильтрационных завес, но и разработку специи
а л ь н ы х методов подготовки. К посл$&
ним можно отнести экранировку (создание щелевых экранов) пр
подготовке массива с помощью крупномасштабных взрывов, чт
наряду с повышением степени и равномерности дробления пора
ды в пределах отрабатываемого блока обепечивает локализации
разрушающего действия взрыва. |
Важной составляющей частью исследований является разра
ботка расчетных моделей гидродинамических и других процеф
сов, происходящих при выщелачивании в подземных условиях, "
254^
установление на основе расчетных соотношений функциональных
связей между параметрами геотехнической подготовки массива
и выходными технологическими характеристиками процесса ПВ.
Последнее позволяет выбирать не только схемы подготовки с
целью получения требуемых характеристик рудной массы, но
также конкретное конструктивное и аппаратурное оформление
технологических процессов. Возможность проведения предва-
предварительных количественных оценок играет большую роль при
выборе рациональной и экономически целесообразной схемы
геотехнологического процесса.
Исследования, связанные с геотехнической подготовкой
породного массива должны проводиться в двух направлениях:
1) подготовка участков при выщелачивании забалансовых и
брошенных балансовых руд на действующих горнодобывающих
предприятиях; 2) разработка самостоятельной технологии
подъемного выщелачивания металлических руд для вновь ос-
осваиваемых месторождений.
Выбор методов подготовки массива к подземному выщелачи-
выщелачиванию, а также конкретных способов их реализации опреде-
определяется задачами, поставленными в соответствии с выбранным
направлением исследований. В настоящее время имеется обшир-
обширный опыт подготовки руды в условиях действующих предприятий.
В основном это традиционные схемы подготовки
отбойкой и магазинированием руды
с заданной технологической крупностью. Более интересной и
важной задачей является разработка методов подготовки
вновь осваиваемых месторождений. В этом случае наряду с
традиционными способами, которые отработаны на практике,
могут быть использованы прогрессивные технологии
с применением крупномасштабных
(мощных) взрывов. Возможность использования
крупномасштабных взрывов на стадии геотехнической подго-
подготовки месторождения с последующим применением скважинной
технологии отработки делает горнодобывающее предприятие в
принципе безотходным, поскольку в этом случае рудное тело
полностью используется для извлечения полезного компонента.
При этом полностью исключается подземный труд и сводятся к
минимуму капитальные затраты.
8.2. УТЕЧКА ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ
ПРИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПОРОДНОГО МАССИВА
КРУПНОМАСШТАБНЫМ ВЗРЫВОМ
Принципиальная возможность использования крупномасштаб-
крупномасштабного подземного взрыва на стадии подготовки скального
массива к выщелачиванию требует проведения всестороннего
анализа сопутствующих мощному взрыву процессов и явлений.
Положительные с точки зрения геотехнологии факторы крупно-
255
масштабного взрывного воздействия подробно были проанали-
проанализированы выше. В настоящем параграфе рассмотрены некоторые
вопросы, связанные с утечкой газообразных продуктов из очага
взрыва в трещинное пространтво разрушенной горной породы,
что является причиной ее радиоактивного заражения.
Основная особенность камуфлетного ядерного взрыва заклюй
чается в том, что практически все выделяемые при взрыве,
радиоактивные продукты задерживаются в горной породе. Под-;
глубины заложения заряда в зависимости от мощности;
взрыва и конкретных свойств породного массива можно пре-
предотвратить выход радиоактивных продуктов на земную поверх-;
ность при проведении взрывов мощностью до нескольких сот
килотонн [34]. ;
Имеющиеся экспериментальные данные [20] свидетельствуют!
о том, что подавляющее количество радиоактивного материала,
(до 90%) сосредоточено в полости и крупных трещинах у ее<
поверхности. С точки зрения биологического воздействия наи-
наиболее опасными являются долгоживущие продукты взрыва, та-
такие, как Sr90 Cs137. В связи с тем что основное количество
указанных изотопов (около 80%) образуется при делении в виде:
инертных криптона и ксенона, заражение удаленных от полости;]
участков массива происходит в результате проникновения га-
газообразного материала в раздробленную породу. Так как пе-
период полураспада Кг и Хе невелик, размер области и интен-
интенсивность заражения породы существенным образом определяется
динамикой утечки продуктов взрыва из полости на заключи-
заключительной стадии процесса взрывного воздействия. В этом смысле1
установление количественных характеристик процесса вы хода'
продуктов взрыва за пределы камуфлетной полости (а в более?'
поздние времена за пределы подготавливаемого к выщелачивав
нию участка) имеет немаловажное значение при оценке безЦ
опасности геотехнической подготовки массива с помощью мощ--
ного взрыва. .-*
Выход газообразных продуктов из камуфлетной полости;
осуществляется через раздробленную породу под действием
давления, которое устанавливается в полости к моменту
мирования зоны разрушения. На интересующее расстояние (за:;|
пределы подготавливаемого участка, размеры которого coc-J
тавляют несколько радиусов полости) фильтрует только не-
неспособная к конденсации часть образовавшегося в очаге взрыва.
газообразного материала. Динамика утечки продуктов опреде-
определяется начальным парциальным давлением неконденсирующихся1
газов в камуфлетной полости РНу которое определяется соот-
соотношением
М R.T
р он
III!
н
* п
где М - масса неконденсирующегося газа в полости; R.
он л.
256
газовая постоянная; М* и Т - соответственно средняя моле-
молекулярная масса и температура газа в полости; V - объем
полости.
Первоначальная масса неконденсирующегося газа опреде-
определяется влажностью и другими газообразующими свойствами
взрываемой среды. С достаточной для практических оценок
точностью можно записать
М
ои
где Мв - масса испаренного на единицу энергии взрыва ве-
вещества; т)в - общая весовая доля газообразующих веществ в
горной породе; д - мощность взрыва.
Природа газовыделения зависит от физико-химических
свойств конкретной горной породы: в породах силикатного типа
(гранит, туф, аллювий), содержащих воду в свободном состоя-
состоянии, неконденсирующийся газ представлен парами воды, в по-
породах карбонатного типа (известняки и т.п.) наиболее пред-
представительным является углекислый газ, который выделяется в
результате термического разложения горной породы. Образо-
Образование неконденсирующегося газа при взрыве происходит в зонах
испарения, расплава и термического разложения. Результаты
экспериментальных исследований показывают, что зона газовы-
газовыделения охватывает при крупномасштабных взрывах в плотных
скальных породах массу, равную B - 4) • 105 кг на каждую
килотонну энергии взрыва. В туфе эта величина составляет
E ± 1,5) х 1(г кг/кт, в аллювии - 7-105 кг/кт [20].
Давление неконденсирующегося газа зависит от температуры
продуктов в камуфлетной полости, в качестве которой при
взрыве в породах силикатного типа целесообразно принять
температуру давления. породы. Для гранитоподобных горных
пород температура плавления изменяется в диапазоне 1623 -
1873 К в зависимости от конкретного минералогического сос-
состава. В случае карбонатных пород за температуру газа в
полости следует принять температуру разложения таких мине-
минералов, как доломит и кальцит A123 - 1173 К).
Оценим на основании изложенного величину первоначального
парциального давления неконденсирующихся газов в полости,
под воздействием которого начинается процесс фильтрационной
утечки. Результаты оценок представлены в табл. 8.1. Следует
отметить, что расчетные значения Рн находятся в хорошем
соответствии с имеющимися расчетными [21] и эксперимен-
экспериментальными данными. Так при взрыве "Райниер" (туф плотностью
2000 кг/м3, т/ - 15%) было установлено, что кристаллизация
расплава происходила при давлении 4 МПа [20]. В работе
[87] приведены данные непосредственных измерений давления
в полости при взрыве в аллювии (плотность 1900 кг/м3,
"П * 12%), когда через 45 с после взрыва было зафиксировано
давление 3,5 МПа.
257
Таблица 8.1
Давление газообразных
в полости мощного подземного взрыва
Горная порода
А,. МПа
Гранит
туф
Аллювий
Известняк
0.5-1.5
15
10
30-47
0,5-1
4
5
6-10
Таким образом установлено значение всех основных пар;
метров, определяющих ход фильтрационного процесса в разр;
шенноЙ среде при взрыве в различных горных породах,
радиуса полости Л, радиуса зоны повышенной р
начального давления способных к миграции продуктов взрьи
Р„. Для установления массы фильтрующихся продуктов и xapai
терных времен фильтрации воспользуемся следующей схеме
вычислений. При построении расчетной модели исследуемо]
явления будем предполагать, что взрыв производится на 3hj
чительной глубине, так что наличием свободной земной ш
верхности можно пренебречь. В этом случае допустимо сфер]
чески симметричное приближение фильтрационной задачи (щ
условии, что обрушение камуфлетной полости либо отсутствуе
либо происходит в более поздние времена). Помимо сказанноз
будем предполагать, что фильтрация продуктов взрыва в тр
шинное пространство начинается с момента достижения каму
летной полостью своего конечного размера р
гднего предположения не требует пояснений, поскольку,
точки зрения выхода продуктов в проницаемое просгрансг
зоны разрушения и за ее пределы фильтрационными процессами
происходящими при самом взрыве, можно пренебречь
оценки показывают, что утечка газообразных продуктов 1
полости начинается спустя несколько десятков секунд nod
взрыва). ;
Постановка задачи в сферически симметричном случае имё
следующий вид. В начальный момент времени t =¦ 0 из каму
летной полости радиуса Л, расположенной в проницаем)
среде, начинается фильтрация газообразных продуктов взрьп
Нестационарное движение продуктов в среде будем описыва
уравнением фильтрации D.3) и законом сохранения
едливос
т
(8.1*
I
где р - плотность фильтрующихся продуктов; т - пориста
среды} Уф - скорость фильтрации.
Уравнение состояния фильтрующегося газа в проницаем
каналах и камуфлетной полости примем в виде
Р *
258
Считая, что количество образовавшихся при взрыве газов с
низкой температурой конденсации со временем не меняется:
запишем условие на границе полости:
г - Ri:8p/8t - -
где 5П - площадь поверхности камуфлетной полости.
Преобразовывая уравнения E.3) и (8.1) с учетом уравнения
состояния (8.2), получаем дифференциальное уравнение второго
порядка относительно Р:
dt
с граничным условием при г ¦ Ях:
* зи*.
tl кт, jf* _ iv
(8.3)
dt
ще
5 - -sgnv*; Gn(P) - V'l
ni ж Gn(P) при г
Легко показать, что рассматриваемый процесс фильтра
ционной утечки продуктов взрыва полностью описывается сис
темой безразмерных параметров
х « rlRx\ т; S * Р/Рн; So - А/Рн;
(8 5)
ос - Й4Л+1/(й24Д т =
???
где Ро - начальное давление в проницаемых каналах.
Преобразуя уравнение (8.3) к безразмерному виду на основе
(8.5), получаем
flx x G Р Эх I + х(О„ +1) Х Sx ' (8-0)
где \\
?
?
В результате численного интегрирования уравнения (8.6)
соответствующими начальными
f - 0: ?(x,f) - Г1 при дс - 1,
\?о при JT > 1
?
и граничными
m [6m5V(Gni
условиями определяются основные параметры рассматриваемого
процесса в виде функций от времени и расстояния до места
проведения взрыва г. Основные параметры задачи выбирались на
основе известных экспериментальных данных и анализа, прове-
проведенного в настоящей работе. Так значение безразмерного
параметра ?, описывающего начальное давление продуктов
259
0,5
О
150
т т
Рис. 8.1. Влияние начального дав-
давления продуктов взрыва на скорость
фильтрации S (расчет при m = 4%,
х ш 7,5):
7-5 - 0,1; 2 - 0,04; 3 - 0,01
Рис 8.2. Приведенная скоро
фильтрации продуктов взрыва на р
ных относительных расстояниях х:
1 - 6; 2 - 7,5; 3 - 12 (расчет г
m - 4%; S - 0,1)
-3.
Ц75
0
200
400 t/60c
Рис 8.3. Физическая скорость дви-
движения продуктов взрыва в проница-
проницаемых каналах:
1-4 - т - соответственно - 3; 4; 5;
10%
иф,!0 м/с
Рис 8.4. Скорость движения г*
образных продуктов при взрыве а
рядов разной мощности в гранили
добной среде (т - 5%, относительи
расстояние от взрыва 120 м/кт1/3): ,
1-3 g - соответственно' - 1,0; I
100 кт
взрыва в камуфлетнои полости, составляет для пород м
газовости (т)в ~ 1+2%) - 0,1 - 0,2, для пород средней
вости (ть -5+15%) - 0,03 - 0,05 и для пород высокой га
вости (т)в - '30+40%) - 0,01 - 0,02. Вычисленные значен!
давления фильтрующегося газа, связанные с %ощ
згахся при взрыве неконденсиоуюшихся га
не из эксперимента сво!
чеством
а также
массива
наиболее
(пористость и проницаемость) позволили установ:
s характерную для рассматриваемого процесса вели*
рного параметра а - 1,0.
В результате решения задачи определялись скорости ф:
трации продуктов взрыва, физические скорости движения пр
дуктов в проницаемых каналах и^у а также масса газообразщ
>в Мф, профильтровавших за пределы зоны разрушен^
Зависимость безразмерной скс
VI '
260
от времени представлена на рис. 8.1 для разных начальных
давлений в полости ?о и на рис. 8.2 для разных относитель-
относительных расстояний от места проведения взрыва х.
На основе проведенных расчетов предоставляется возмож-
возможность рассмотреть конкретные варианты истечения неконден-
неконденсирующихся продуктов взрыва в разрушенную среду для вполне
определенных параметров взрыва в фиксированных горно-
геологических условиях.
Так на рис. 8.3. представлено влияние пористости разру-
разрушенного породного массива на значение физической скорости
движения газообразных продуктов и# при взрыве заряда экви-
эквивалентной мощностью 100 кт (данные приведены для относи-
тельнрго расстояния rlqlf* - 90 м/кт1/3).
Наибольший интерес с точки зрения практического примене-
применения результатов расчета представляет рассмотрение фильтрации
продуктов при взрыве в прочных горных породах, характери-
характеризующихся малой начальной нарушенностью (основное количество
месторождений, пригодных к выщелачиванию, расположено
в
р, р , р
скальных массивах). В качестве примера на рис. 8.4 приведе-
приведены результаты расчета скорости движения газообразных про-
продуктов взрыва зарядов разной мощности в гранитоподобной
среде (радиус полости при взрыве составляет 9д1/3 м, вде
д - эквивалентная мощность взрыва, кт).
Важной характеристикой геотехнической подготовки горно-
горного массива с помощью крупномасштабного взрыва является мас-
масса котлового газа, вышедшего за предполагаемый контур раз-
разрабатываемого участка месторождения. Объем газа, вышедшего
из полости в разрушенную среду на расстоянии г > R+ состав-
составляет к моменту времени t величину
4nmR% S
О
dt.
Отсюда легко получить выражение для относительной массы
профильтровавшего газа
МФ(О 2
М,
о
Результаты расчета доли продуктов, профильтровавших в
область г > R+ при взрыве зарядов разной мощности в масси-
ве, сложенном прочными скальными породами, приведены на
рис. 8,5. Представленные на рис. 8.5. кривые демонстрируют
ассимптотический характер зависимости M$(t). При этом слу-
дует отметить, что количество продуктов, п
ильтровавших на
расстояния г >
составляет небольшую часть от их
«1111
его
количества Мок, образовавшегося при взрыве.
261
Рис 8.5. Относительная масса г
ных продуктов, профильтровавших на
стояния, превышающие 108 м/кт1^3
значения см. рис 8.4)
Рис 8.6. Относительное количество газо-
газообразных продукте» взрыва, профидьтплм
вших на расстояния, превышающие х;
1 - расчет для подземного взрыва
ностыо 2 кт; 2Л 5 • расчет для ере;
постоянной пористостью (т, в %: 2
3 - 2; 4 - 4; 5 - 6)
Необходимым параметром с точки зрения установления гр
зоны? радиационной безопасности при геотехнической подпп
массив^ мощным взрывом является максимальное расстояние
на которое могут приникнуть продукты в результате филь
ционной утечки при падении давления в полости до уровня
С помощью несложных преобразований получаем соотноше
между безразмерными параметрами х ~ R /Rx и С в виде
m
•[1 - A - m)€o]/(m$).
Проницаемое пространство горного массива в области х
представляет собой некоторый резервуар, аккумулирую!
продукты взрыва при их расширении. Конкретное предел
R
[ределяетс
[ИМ
(размером полости и давлением) и пустотностью (пор*
разрушенного массива. Эти же параметры определяют сумма
262
Таблица 8.2
4
Радиус зоны активности
Эксперимент
Бланка
Логан
Рейниер
породы при подземных
Эквивалентная
мощность взры-
взрыва, кт
19
5
1,7
взрывах
м/кт1/3
14,6
15,2
15,9
м/кт1^
100
140
50
количество неконденсирующегося газообразного материала
которое к моменту окончания фильтрационного процесса на-
находится в сферическом слое с внешним радиусом х и внутрен-
внутренним - х. В качестве иллюстрации на рис. 8.6 представлен вид
я М2(х)/Мон, рассчитанный для конкретных условий
в скальном горном массиве.
Следует отметить, что расчет выхода газообразных про-
продуктов в разрушенную при взрыве среду проводился в настоящей
работе без учета диффузионных и теплообменных процессов. По
этой причине полученные численные значения параметров утечки
[имо рассматривать в качестве их верхней оценки. Как
гают оценки учет, например, теплообмена при фильтрации
азного материала не сильно меняет полученные в
стоящей работе зависимости. Последнее объясняется доста-
точно высоким и равномерным прогревом разрушенной среды в
значительной по объему зоне подземного взрыва.
я в литературе данные свидетельствуют о том, что
основное количество радиоактивного материала сосредоточено в
й по объему области, прилегающей к камуфлетной
В частности, в табл. 8.2. представлены радиусы зоны
+, полученные экспериментально при исследовании
буровых скважин, расположенных в ближней зоне некоторых
подземных ядерных взрывов [20]. Для сравнения там же при-
приведены относительные расстояния гь/^1/3, на которых наблю-
наблюдалось обрушение подземных выработок. Видно, что размер ак-
активной зоны в среднем почти на порядок меньше размера зоны
наблюдаемых оазоушений.
13, проведенный в настоящей работе, свидетельствует о
том, что опасность утечки радиоактивных продуктов в тре-
трещинное пространство разрушенной среды не может служить пре-
препятствием для использования крупномасштабного подземного
в геотехнологии. Однако следует иметь в виду, что
приведенные расчеты предполагали сферически симметричное
i продуктов взрыва в проницаемом пространстве.
je имеет место при отсутствии в подготавливаемом
горном массиве ярко выраженных тектонических разломов и
крупных трещин. Наличие каналов преимущественной фильтрации
263
существенно может сказаться на времени выхода и количеств!
газообразных продуктов, проникающих за пределы подготащ!
ливаемого участка. В этом случае выбор конкретного вариант!
подготовки должен определяться с учетом комплекса мерй|
приятии по обеспечению радиационной безопасности.
8.3. ОСОБЕННОСТИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ
Одним из основных вопросов, определяющих возмож»
широкого применения крупномасштабных подземных взрывов
народном хозяйстве, является обеспечение целостности разн
;
я
рода сооружении, расположенных в зоне сеисмовзрывного во
действия. Наличие в окрестности взрыва населенных пунктов
инженерных сооружений приводит к необходимости проведе
тщательной оценки сейсмического эффекта применительно |
конкретным условиям.
Любой взрыв, произведенный под землей, в воде или ;
сфере возбуждает в земле упругие колебания. Поэтому взрыв
так же как и землетрясения, следует рассматривать как се
мические события. Ежегодно на земном шаре регистриру
сотни тысяч естественных землетрясений. Из них около 1
землетрясений соответствуют по сейсмическим сигналам взрыв
эквивалентной мощностью свыше 10 кт и около 10 000 земл
трясений - взрывам с эквивалентной мощностью порядка 1
По данным работы [57] сейсмическая энергия, выделяемая з|
год всеми землетрясениями в виде упругих волн, составляв!
примерно 101* Дж, что в единицах энергии взрыва составляв?
около 103 Мт.
Сейсмические события, связанные с проведением взрывн
работ, вполне сравнимы с естественными землетрясениями, как
по интенсивности колебаний в случае проведения ядерны!
взрывов, так и по количеству событий за год при проведенга
промышленных взрывов. Действительно, начиная с 1961 г. еже
годно проводится от 30 до 60 ядерных взрывов эквивалентно!
мощностью ©т 1 до 150 кт каждый, а до 1975 г. эквивалентна!
мощность отдельных взрывов достигала иногда нескольким
мегатонн. Колебания земли, вызываемые такими взрывамн|
эквивалентны по своей интенсивности колебаниям от земле-
землетрясений с сейсмической магнитудой в диапазоне М « 3*7|
Полная энергия, освобождаемая при проведении ядерных взрывоц
за; год, характеризуется величиной около 10 Мт. Большой объе»
взрывных работ реализуется также в горном деле и на строи-
строительстве с использованием химических ВВ. В настоящее врем|
во всем мире в течение года расходуется примерно 107 т ВВ|
Такая масса расходуемого ВВ соответствует по порядку вели*
чины суммарной энергии ядерных взрывов за год. Основной
объем" взрывных работ в промышленности проводится скважинныщ
264
зарядами, которые подрываются группами с общей массой ВВ в
десятки и сотни тонн. Следовательно, за год на земном шаре
происходит свыше сотни тысяч сейсмических событий, связанных
с промышленными взрывами и эквивалентных землетрясениям с
магнитудой т - 1*3.
Из указанных масштабов взрывных работ также следует, что
полная энергия всех проводимых подземных взрывов за год (как
ядерных, так и химических) составляет около 1016 Дж. Основ-
Основная- доля энергии этих взрывов расходуется на необратимые
деформации породы вокруг заряда (вытеснение, разрушение,
нагрев) и только примерно 1% излучается в виде сейсмической
энергии [51]. Следовательно, суммарный вклад взрывных работ
в сейсмические события характеризуется величиной порядка
1014 Дж упругой энергии, что на четыре порядка меньше, чем
сейсмическая энергия колебаний земли при землетрясениях.
Исследования колебаний грунта при взрывах занимают за-
заметное место в сейсмологии. Сейсмические эффекты необходимо
учитывать при обеспечении безопасности проведения буро-
буровзрывных работ и крупных взрывов в строительстве. Так,
именно сейсмический эффект во многих случаях ограничивает
массу максимального заряда, что существенно отражается на
конечном результате. Взрыв как источник упругих волн ис-
используется для изучения строения Земли, для разведки полез-
полезных ископаемых, для отработки приемов сейсмостойкого строи-
строительства. Сейсмические колебания грунта могут обеспечить
контроль над проведением подземных ядерных испытаний. В
результате развития исследований по этим направлениям сейс-
сейсмология взрывов сформировалась как научное направление. В
историческом плане в сейсмологии взрывов можно выделить, по-
видимому, три этапа развития.
Первый относится к 1930-1940 гг., когда вместе с
развитием взрывной технологии в строительстве и горной про-
промышленности возникла проблема разрушительного действия
сейсмовзрывных волн. Ее решение связано с трудами академика
М.А. Садовского, в которых на основании анализа экспери-
экспериментальных данных о разрушениях зданий и сооружений под
действием колебаний при промышленных взрывах было установ-
установлено, что интенсивность разрушений определяется массовой
скоростью движения грунта в сейсмической волне. Для массовой
скорости была получена зависимость от массы заряда и рас-
расстояния , а также установлено, что критическая скорость
колебаний, свыше которой появляются признаки повреждения
зданий типа трещин в кирпичной кладке и штукатурке, состав-
составляет 10-20 см/с. Эти результаты М.А. Садовского были под-
подтверждены последующей практикой взрывных работ и исполь-
использованы при разработке приемов расчета сейсмически безопасных
расстояний при проведении промышленных взрывов.
Второй этап развития сейсмологии взрывов относится
к 60-70 гг., когда возникла проблема обеспечения сейсми-
265
¦ v;
ческой безопасности при проведении подземных ядерных взрн|
вов, в том числе и при использовании их в мирных целях.
решения этой проблемы в нашей стране и за рубежом был
веден большой объем инструментальных наблюдений, особенно |
ближней области взрыва, где сейсмические колебания нося;
разрушительный характер. В результате были установлены bo?
новные закономерности распространения сейсмических волн
различных расстояниях от места взрыва. Существенным д
жени&Кс этого этапа явилась разработка новых методик п
нозирования параметров сейсмического действия мощных взр:
вов, которые включали также статистический подход к оце
степени повреждений различного типа сооружений [57].
Третий этап развития сейсмологии взрывов начался |
конце 70-х гг. и связан с появившейся необходимостью коне
роля за проведением подземных ядерных испытаний. Следовал
убедительно доказать технические возможности такого контрод
сейсмологическими средствами и повысить его чувствителв
ность. Проблема контроля включает две основные задач!
обнаружение сигналов от взрыва и их идентификация по отнй
шению к землетрясениям. С целью решения этой проблемы в мир
были размещены многочисленные сейсмические станции, обра
зовавшие межнациональные сейсмологические сети. J
Станции были оборудованы короткопериодными и длиннр
периодными сейсмографами, которые располагались на болыше
площадях группами в виде треугольников, крестов, различие»
рода многогранников для улучшения отношения полезного
нала к естественному сейсмическому шуму и для установлен^
координат источника колебаний. В настоящее время общепр^
знана возможность регистрации и распознавания сейсмическо§
сигнала от подземного ядерного взрыва эквивалентной моц
ностью не менее 1 кт. Оснащение сейсмологических сетей ш
вой аппаратурой и их автоматизация интенсивно продолжают^
Разрабатывается единая международная сеть сейсмической
контроля. Решение проблемы обнаружения ядерных испытан!
сейсмическими средствами потребовало разработки единого noj
хода к изучению сейсмического действия взрывов и земл
трясений, что привело к тождественности методологий изучен!
этих сейсмических событий и существенно сблизило сейсмологй|
и сейсмику взрывов.
Рассмотрим особенности сейсмических колебаний грунта
подземных взрывах. При взрывах, так же как и при
сениях, несмотря на различную природу очага и мехаяи
выделения энергии, волновая картина колебаний грунта o6j
словлена возникновением и распространением четырех типа
волн: продольных и поперечных волн объемного типа и длинно
периодных поверхностных волн Релея и Лява. Объемные волей
распространяются через внутренние слои Земли, волны Релея i
Лява только в поверхностных слоях. Волна Релея наибол*
четко выделяется на радиальной и вертикальной компонент
266
Зона
WOO км 'тии
'2500км
Внешнее
ядро
Мантия
11000км
Зона
тени
16000т
Рис 8.7. Схема распростран
ному шару
фаз сейсмовзрывных волн по зем-
записи, волна Лява - на мангенциальной. Коща колебания от
мощного сейсмического источника охватывают весь земной шар,
картина колебаний как от подземного взрыва, так и от зем-
землетрясения становится очень сложной и трудноразличимой. Это
связано с ярко выраженной слоистой структурой и неоднородным
строением Земли, что приводит к многочисленным отражениям и
преломлениям волн, а также к генерации различных фаз сейс-
сейсмических колебаний.
Однако в общей сложной картине волнового движения основ-
основные траектории распространения сейсмических волн, главным
образом продольного типа, группируются таким образом, что на
поверхности Земли образуется несколько характерных областей
фокусировки или тени сейсмических колебаний. Схема рас-
распространения некоторых фаз продольных волн показана на
рис. 8.7 и выделены следующие области:
1. Ближайшая к источнику область интенсивных колебаний,
которая образована сейсмическими волнами, прошедшими по
земной коре и .через верхнюю мантию. В этой области сейс-
сейсмические сигналы от крупных взрывов уверенно регистрируются
вплоть до расстояний, ограниченных телесным углом А - 10
(примерно, 103 км). 0
2. В диапазоне угловых расстояний А - 10*25 отмечается
первая зона тени, образовавшаяся по причине отклонения
лее глубоких траекторий вниз в сторону высокоскоростных
слоев. В этой области сейсмические сигналы неустойчивы и
имеют небольшие амплитуды. о
3. Телесейсмическая область в диапазоне А « 25*100 об-
267
разована траектория сейсмических лучей, прошедших
глубокие слои мантии. В этой области прием сейсмич
сигналов ведется устойчиво, амплитуды сигналов выше, чем
предыдущей зоне, и слабо чувствительны к слоям с пониже
ми скоростями. 0
4. В диапазоне расстояний Д * 110-5-140 вновь насту
область сейсмической тени. Амплитуда сигналов резко ум
шается, и они слабо выделяются на фоне сейсмического шу
Такое выделение зон на поверхности Земли с различ
уровнями сейсмических колебаний представляется важным
решения задач контроля за подземными взрывами, распознава
сейсмических сигналов от взрывов и землетрясений, а та
для повышения чувствительности этого метода. Из выделе
зон наибольшее внимание в сейсмологии взрывов уделя
области, ближайшей к очагу взрыва. Сейсмические колебание
этой области представляют реальную опасность для инжене
деятельности. В зависимости от характера колебаний грунта
основных типов волн, определяющих сейсмическое воздейстш
на здания и сооружения, внутри этой области в свою очерс^
целесообразно выделить следующие зоны: ->
1. Центральная зона вокруг очага вэрьп|
которая включает движение грунта до выхода волны на дневну
поверхность.
2. Эпицентральная зона, которая свя
с откольными эффектами и характеризуется преимуществ
вертикальным движением грунта в радиусе 3-5 глубин заложе
заряда.
3. Ближняя зона размером до 10-15 км, к
определяется доминирующим действием прямых объемных
распространяющихся в осадочном чехле скальных пород н
средственно из очага взрыва.
4. Средняя зона, которая охватывает интерн
расстояний от 10-15 до 80-100 км, где доминирующими Я
интенсивности колебаний являются объемные волны, пришедш!
из кристаллического фундамента, расположенного поверх кор
вого волновода Конрада. >
5. Д а л ь н я я зона, которая простирается свыше ft
100 км и определяется появлением закритически отражения
объемных волн от границы Мохоровичича.
По каждой зоне в настоящее время получен обширный экш
риментальный материал, на основе которого проведен ан
волновых полей, выявлены основные группы волн, установл
их связь с геологическим строением участков провед
взрывов и построены эмпирические зависимости основных па
метров колебаний грунта от расстояния и мощности взр
Характер колебаний грунта в выделенных зонах представлен
рис. 8.8. В центральной зоне движение гру:
определяется волной сжатия, которая характеризуется в
чиной максимальной массовой скорости, временем ее нараста
268
а
U.
т
W
Г?гп
6
ост
Рис 8.8. Характерные эпюры колебаний грунта в ближней области подземного
взрыва:
а - центральная зона; б - эп и центральна я зона; в - ближняя зона,
R < 10 км; г - средняя зона, 40 < R < 100 км; g - дальняя зона
К > 100 км
и действием фазы сжатия. В прочных скальный порода
массовой скорости выделяется фаза отрицательной
(а), что свидетельствует о наличии возвратного движения,
разрушенных породах и уплотняемых грунтах фаза отрицатель]
гт (б).
В
В
смещения.
э п и ц е н
осл
\ на рис. 8.8, 1
тральной
актерные признаки оч
быстрого нарастания
показана
зоне
коль-
ско-
эпюра
на z
ных явлений (рис. 8.8, 2).
рости движения до максимума н
падения откольного слоя в поле тяжести. На эпюре четко вы-
выражены удары откольного слоя о подстилающий массив. При
удалении от эпицентра или увеличении глубины взрыва откол
не происходит, и эпюра скорости либо становится похожей
на запись внутри массива, либо ж
гармоник при наличии слоя мягких пород. В б л и ж -
состав волнового пуга состоит из прямой
и поверхностной волны R (рис. 8.8, 3).
аспространяется в осадочном чехле скаль-
ю 2-7 км с кажущейся скоростью 3-5 км/с,
верхностная волна начинает
более 0,5-1 км/кт1* и распространяет-
н е и зон
продольной волны
Продольная волна
ных пород мощь
Длиннопериодная
ся с расстояний
Р
269
ся со скоростью 2,9-3,1 км/с. При неглубоких взрз
V'3 < 100-5-150 м/кт1/3) и взрывах на выброс этой
выделяется длиннопериодная объемная волна продольного
которая следует примерно через 0,15 с за волной р.
В средней зоне в первых вступлениях сей
ческих колебаний начинает выделяться новая волна продольно]
типа р . Эта волна интерпретируется как головная или
L,
¦ч-"й
•) ¦. i:
рагированная вдоль кровли гранит-базальтового слоя,
положенного на глубине 5-20 км. Сейсмограмма осложнена та
несколькими знакопеременными фазами прямой волны, расп
ограняющейся в осадочном чехле, и цугом обменных волн,
этой зоне начинают прослеживаться также соответствующие фа:
поперечных волн. Усложняется цуг колебаний длинноперио,
поверхностных волн. В результате общее время колебаний
сейсмической волне возрастает.
Дальняя зона начинается с появления в ка
колебаний на свободной поверхности новой группы объем]
волн, отраженных от границы раздела земной коры и ма
(граница Мохо), которая расположена в основном на глу
35-40 км. Такие отраженные от границы земной коры продольны!
и поперечные волны обозначаются в сейсмологии индексами
и sMs (рис. 8.8, 5). Амплитуда и скорости колебаний в эти*
волнах существенно превосходят параметры колебаний, наблю-
наблюдавшиеся до их появления.
Из рассмотренных эпюр колебаний грунта видно, как излу-
излученная источником взрыва простая волна сжатия по мере pacf
пространения в среде с неоднородными геофизическими свойств
вами генерирует в ней сложное поле сейсмических колебаний. |
центральной, эпицентральной и ближней зонах временные
амплитудные параметры колебаний определяются прямой про"
дольной волной, которая еще содержит непосредственную
информацию об источнике колебаний, о времени его формиро-
формирования и размерах, о процессах откола, об условиях в очаге
(свойствах пород, глубине взрыва, числе зарядов и т.п.), I
средней и дальней зонах информативность сейсмического сий|
нала об источнике колебаний снижается и возрастает инфо
мация о геологическом строении региона и геофизических осо1
бенностях трассы распространения. По появлению на записи т
или иных групп волн можно определить глубину расположе
различных слоев, а по затуханию амплитуд и изменению спек
рального состава сигнала оценить поглощающие свойства п
«II
на разной глубине. Остановимся подробнее на некоторых пара?
метрах колебаний грунта, наиболее существенных в отношев
сейсмического действия подземных взрывов в каждой из выде-
выделенных зон.
В центральной зоне происходит формирование сейсмической
источника излучения волн. С этой точки зрения основными
процессами, протекающими в очаге взрыва, являются распрей
странение волны сжатия, пластическое деформирование и раз-
270
рушение средств, а также образование котловой полости. В
крепких горных породах, обладающих низкой пористостью,
образование котловой полости происходит преимущественно за
счет вытеснения волной сжатия некоторого объема среды, про-
пропорционального энергии взрыва, за пределы зоны разрушения в
область упругих деформаций. Размеры i полости гп и зоны не-
неупругого деформирования R+ определяются мощностью взрыва q и
зависят от свойств среды, в частности, ее сжимаемости и
прочности следующим образом [35]:
0.61*1'3 ( pel
(8.7)
ще р-и сп - плотность и скорость звука в среде, <гф - предел
прочности на сжатие. Из (8.7) следует, что радиус полости
соответствует закону геометрического подобия, а размер зоны
неупругого деформирования пропорционален радиусу полости. В
скальных породах rjql/z ¦¦ 8*12 м/кт1/3и R+ = D*6) г„, в
слабых породах типа пористого туфа и аллювия rjqllz - 13*
*17 м/кт1* и Лф * E * 8)гп. Указанные зоны необратимых
деформаций взрыва (полость и зона разрушения) в конеч-
конечном итоге и определяют основные параметры излучаемой сейс-
мовзрывной волны. Значение остаточных смещений, зареги-
зарегистрированных вне зоны неупругого деформирования (см.
рис. 8.8, 7), хорошо коррелирует с конечным размером по-
полости, что свидетельствует об образовании ее за счет вы-
вытеснения среды в упругую область и означает, что амплитуда
волны сжатия в этой области пропорциональна вытесненному
объему.
Период распространяющихся в упругой области колебаний в
свою очередь пропорционален радиусу зоны неупругого дефор-
деформирования Г « 2R+/c . Поэтому зону неупругого деформирования
рассматривают в качестве сейсмического источника при под-
подземном взрыве. По зависимости смещения во времени на сфери-
сферической поверхности, отделяющей эту зону от упругой области,
определяют так называемый потенциал упругих смещений, через
который выражаются основные параметры колебаний в продольных
волнах.
Таким образом, подземный взрыв как сейсмическое событие
характеризуется наиболее простым из всех возможных источ-
источников колебаний, и в первом приближении может быть пред-
представлен источником типа " центра расширения". Такой источник
в идеальных условиях реализует смещение частиц только вдоль
направления распространения возмущения. Поэтому волна сжатия
является волной продольного типа (или волной р). Однако
благодаря неоднородному строению реальных сред и связанному
ч
271
с этим быстрому нарушению симметрии движения при форми
вании источника возникает поперечная волна или волна сдв
(волна s), колебания в которой в отличие от продольной
ны не связаны с изменением объема. В результате источ
излучения типа "центра расширения" возбуждает внутри реаль?
ной среды объемные волны продольного и поперечного т
Однако основную долю сейсмической энергии в ближней зо
несет продольная волна, играющая главную роль в сейсмоло
взрыва.
Известны многочисленные результаты измерений парамет
волны- сжатия в породах различного типа [1, 36]. Измерени
показали, что при заданных свойствах среды для основ
параметров волны сжатия в центральной зоне взрыва выпол
няются условия геометрического подобия. Так, зависим
массовой скорости (м/с) и от приведенного расстояния г
до центра взрыва имеет вид:
U « А/?п.
т
Значения коэффициента А и п в формуле (8$ для некото?
рых типов породы приведены ниже. Здесь и далее энер
взрыва в килотоннах, расстояние в километрах.
Порода .... Соль Гранит Туф плотный Сланец Туф пористый Аллкш
Л 0,25 0,19 0,16 5,5-10 1,7'10 3,8" lO*4;*
п 1,6 1,6 1,6 2,0 2,87 3,2 |
Зависимости (8$) показаны на рис. 8.9. Диапазон рас*
стояний, в которых проведены измерения массовой скорости
составил 0,03 ^ F < 1 км / кт1/3. Видно, что массовая ска
рость и ее затухание существенно зависят от свойств поре
Так в аллювии она примерно на порядок ниже, чем в гра*
при прочих равных условиях. С другой стороны, при взрывах |
прочных и плотных горных породах зависимости (8.J) близю
(например, гранит, соль) и массовая скорость является уй
тойчивым параметром. В этих породах время действия фа
сжатия U и нарастания массовой скорости до максимума
вне области неупругого деформирования составляют tH I (t
- 20*40 мс/кт1/3 и tjql/3 « 5+15 мс/кт1/3. В слабых i
трещиноватых породах значения U и tK могут быть в 2-3 раз!
больше. Используя зависимость (8.8) можно оценить макс№
мальные смещения W и средние ускорения Оср в волне сжатий
¦г
Результаты расчетов и экспериментальные исследований
показали, что подавляющая часть энергии взрыва диссипирует
области неупругого деформирования. Так на момент остановку
272
Рис 8.9. Зависимость массовой скорости
от расстояния до выхода волны сжатия на
свободную поверхность:
1 - соль; 2 - гранит; 3 - туф плотный;
4 - сланец; 5 - туф пористый; б - аллювий
ГО'
л :
А
Ю
W
-г
ю~'
км
хг
f/J
котловой полости энергия камуфлетного взрыва распределена
следующим образом [1, 36]: в продуктах взрыва содержится
10 : 20%; расплаве около 15%; зоне неупругого деформирования
60-70%, главным образом в виде тепла.
В области расстояний г < Яф в среде диссипирует 90-95%
энергии взрыва и только 5-10% энергии оказывается в зоне
упругих деформаций в основном в виде упругого сжатия среды*
Некоторая часть этой энергии расходуется на образование
сейсмических колебаний, которые постепенно затухают в ре-
результате геометрического расхождения, поглощения и рассея-
рассеяния. По результатам обработки телесейсмических сигналов
установлено» что энергия сейсмических волн Ес зависит глав-
главным образом от свойств породы в очаге взрыва, и ее относи-
относительное значение приведено ниже.
Доля сейсмической энергии при взрыве
Порода .
/о
. Соль,
.0,8-3
Гранит
1-2
Туф
0,3-1
Аллювий
0,15-0,2
Сух. аллювий
'0,05-0,09
Приведенные данные коррелируют с результатами измерений
максимальной массовой скорости в том смысле, что чем силь-
сильнее ее затухание в центральной зоне взрыва, тем ниже выход
энергии взрыва в сейсмическую волну (см. рис. 8.9.).
Помимо волны сжатия источником сейсмических колебаний при
подземных взрывах могут стать тектонические напряжения,
обладающие естественным запасом упругой энергии, а также
процессы падения откольного слоя, обрушения столба раздроб-
273
ленной породы и релаксации упругих напряжений в пород
вытесненной взрывом.
Вклад тектонических напряжений непосредственно в изл
чаемую сейсмическую волну неоднократно отмечался. На осно
анализа телесейсмических записей от подземных ядерных взрэ
вов показано, что в: некоторых случаях наблюдается необыч
большое отношение амплитуд поверхностных волн Лява и Реле
Результаты исследований сейсмических полей в ближней за
взрыва также показали вклад процесса релаксации тектон
ческих напряжений в излучение поперечной волны s с аномалы
большими тангенциальными компонентами колебаний. Узк
поляризация указанных колебаний в поверхностных и поперечш
волнах подтверждает причину их появления за счет вы<
дения тектонических напряжений.
Процесс релаксации тектонических напряжений в окружающ
Hi.II
взры» породном массиве продолжается и после его проведет
При некоторых мощных подземных взрывах были зарегистрировав
сотни и тысячи послевзрывных сейсмических толчке
афтершоков, интенсивность которых иногда приближалась
интенсивности самого взрыва [76]. Важно подчеркнуть, ч
радиус зоны этих афтершоков значительно превышал размер ЗО1
неупругого деформирования от взрыва н достигал значен
0,о-2 км/кт1^3. Была установлена также заметная роль с
кольного движения в образовании поверхностных волн релес
ского типа. Что касается других источников сейсмиче
волн, таких как образование столба обрушения и релаксац
упругих напряжений, наведенных взрывом, то, как показывг
опыт излучаемые ими колебания заметно уступают по интс
сивности продольным волнам, образованным волной сжатия, ,,
Из обсуждения волновых процессов в центральной 3d
взрыва следует, что привлекая соотношения теории упругое
для описания поведения среды вне зоны разрушения удается
достаточной для практики точностью установить особенности;
параметры сейсмовзрывного воздействия. Однако необходи
помнить, что такое приближение является в известной М4
условным, поскольку и за пределами зоны разрушения, прич)
на весьма значительных расстояниях от взрыва, наблюдаки
эффекты, которые по существу являются необратимыми.
К таким эффектам следует отнести ярко выраженные дос)
точные смещения в волне сжатия (см. рис. 8.8, 7), генерал?
афтершоков и изменение фильтрационных свойств массива
больших расстояниях от взрыва, падение жесткости и добци
ности среды как некой колебательной системы, что проявляв;
в заметном падении скорости распространения возмущений;
увеличении декремента затухания волн сжатия при повтор!)
взрывах. Воозникновение таких эффектов связано с неод
родностью структуры реальных массивов и присутствием в |
тектонических разломов, систем трещин, переслаивающий
пачек пород различного типа и других зон ослабления, кото]
274
в своей совокупности придают массиву блочно-иерархическое
строение. Поэтому естественно представить, что деформиро-
деформирование среды вне зоны разрушения осуществляется преимущест-
преимущественно по поверхностям и зонам ослабления, т.е. диссипативные
процессы реализуются в заполнителе промежутков между бло-
блоками, прочность которого на порядок ниже прочности
собственно горной породы. Однако в связи с тем, что объем
промежутков составляет незначительную часть общего объема,
их деформирование несильно сказывается на "упругом" описании
сейсмовзрывных процессов, хотя следует отметить, что на
степени затухания волны эти отклонения сказываются заметно:
степень затухания массовой скорости в 1,5-3 раза выше зна-
значения, получаемого на основе упругого решения. Причем диа-
диапазон расстояний, на которых это отличие регистрируется,
практически неограничен, и необратимые явления в том или
ином виде присутствуют практически во всей области взрывного
воздействия.
При рассмотрении волновых процессов, как уже отмечалось,
указанными эффектами можно пренебречь. Однако при изучении
других вопросов взрывного воздействия, например, устойчи-
устойчивости горных склонов и бортов карьеров, изменения прони-
проницаемости, поведения разного рода сооружений и конструкций
эти эффекты могут стать решающими.
В эпицентральной зоне взрыва основное движение грунта
определяется отражением волны сжатия от свободной поверх-
поверхности. Размер эпицентральной зоны обычно связывают с радиу-
радиусом области откольных явлений. Наибольший размер откольной
области наблюдается при неглубоких камуфлетных взрывах, у
которых Н1ф1ъ з 0,10 + 0,2 км/кт1/3. При взрывах на такой
глубине происходит сравнительно резкий подъем свободной
поверхности и отрыв поверхностного слоя от основного мас-
массива. Глубина откольного слоя определяется интенсивностью
воздействия и длиной волны сжатия. Наибольшая глубина отко-
откола не превышает половину длины волны 8 4 с tjl. В гори-
горизонтальном направлении выделяется радиус интенсивного отко-
откола R « @,25*0,35) км/кт1^, в пределах которого отрыв от-
кольного слоя происходит как в однородном массиве, и ра-
радиус откола, происходящего по естественным неоднороднос-
тям массива (слои, трещины, блоки), который составляет
R = A,0*1,5) км/кт1*.
Определяющее сейсмическое воздействие в эпицентральной
зоне оказывает вертикальная компонента движения. Макси-
Максимальная скорость^ этого движения зависит от приведенной
глубины взрыва Н » Н/д1^ и геологического строения массива.
При взрыве в породах скального типа, массив которых выходит
непосредственно на земную поверхность, вертикальная компо-
компонента скорости в эпицентре равна удвоенному значению макси-
максимальной массовой скорости и ее можно оценить при помощи
Формулы (8.8)
275
uz
<8.ltf
f
При взрыве в мягких грунтах типа аллювия удвоения ск
рости движения поверхности не происходит. При камуфлетщ
взрывах в скальном массиве, прикрытом слоем мягкого грув|
значительной толщины (порядка 10-102 м), скорость подъема*
эпицентре (см/с) соответствует зависимости ,,
и « 25/Я17 (8.И
Z - -
и при увеличении эпицентрального расстояния R вертикальщ)
компонента скорости будет уменьшаться (при типичной глуби
камуфлетного взрыва Н - 0,1+0,15 км/кт1/э):
(8.13
и% - 12/Ri при 0,1 « Л ^ 0,3 км/кт1/3
г
и - 2Q/R1* при 0,3 < Я <$ 1 км/кт1/3.
Характерной особенностью движения поверхности грунта
эпицентральной зоне камуфлетного взрыва в такой слоист
среде является заметно меньшая по сравнению с вертикалы
компонентой горизонтальная составляющая движения. В облас
Ж < 0,3 км/кт1/3 такое различие может достигать 5-10 р|
при увеличении расстояния от эпицентра это различие пос|
пенно исчезает и при R « 1 км/кт1/3 и * и .
По зависимостям (8.10)-(8.12) легко оценить время и ш
соту подъема свободной поверхности
t - 2м /« Л - и*/
Z Z
¦
L
В связи с относительно небольшим размером эпицентральц
зоны, а также недопустимого для зданий и сооружений с
мического воздействия эта зона практического интереса 1
представляет и в дальнейшем она может иметь значение тощ
для взрывов на большой приведенной глубине.
В ближней зоне, размером от 1 км/кт1/э и до 10-15 Щ
максимальные скорости колебаний связаны, как правило,:
продольной волной р, которая регистрируется в этой зоне К
прямая волна сжатия. На записях смещения соизмерима с hi
к концу зоны становится выше амплитуда поверхностной
релеевского типа R, которая начинает прослеживаться с
веденного расстояния 0,5-1 км/кт1/3. Наибольшие а
колебаний как в волне р, так и в волне R отмечаются в
зонтальном и вертикальном направлениях. Постепенно из]
неоднородного строения среды начинают становиться зам*
тангенциальные компоненты колебаний. Кинематические xai
теристики различных фаз колебаний в сейсмической волне
висят от особенностей геологического строения и физ
механических свойств пород, слагающих массив в данном
гионе. Основное внимание в отношении сейсмического возде:
276
Рис. 8.10. Зависимость максимальной го-
горизонтальной скорости колебаний в про-
продольных волнах от расстояния
кт
вия отводится горизонтальным, компонентам скорости. Наблю-
Наблюдения показали, что в этой зоне основные параметры сейс-
сейсмических колебаний соответствуют закону энергетического
подобия в форме (8.8), при этом степень затухания и значение
скорости зависят от типа породы и условий регистрации.
По результатам обработки экспериментальных данных штоль-
невых взрывов в гранитах и скважинных взрывов в песчаниках и
соли для горизонтальной компоненты волны Р предложена зави-
зависимость (В.Н. Родионов, В.Н. Костюченко, 1974)
и
рх
12/Д1'75 при R < 10*15 км.
(8.13)
В
других геологических условиях, где горные
представлены сланцами и кварцито-песчаниками по
штольневых взрывов для горизонтальной компоненты
установлена зависимость
массивы
данным
волны р
и
рх
S,llRl$ при R < 10+15 км.
(8.14)
(8.11)
(8 Л 2)
Зависимости cs.ii; и къ.и.) получены при установке при-
приборов на выходах скальных пород и показаны на рис. 8.10
линиями 1 и 2 соответственно. При измерениях на слое мягких
пород толщиной порядка 10 м и более скорость колебаний
примерно вдвое выше» чем на выходах скальных пород (пунктир
на рис. 8.10).
Для оценок горизонтальной компоненты скорости колебаний в
поверхностной волне R обычно используют известную формулу
(8.15)
и
Вертикальные компоненты скорости колебаний в этой зоне
как в продольной волне, так и в поверхностной волне примерно
равны горизонтальным компонентам. Однако в случае проведения
277
L"J
Рис 8.11. Влияние глубины взрыва
скорость колебаний в продольных
мических волнах
0 0,05
взрыва на значительной глубине (Н > 0,2 км/кт1/3) вер!
кальная компонента колебаний в волне р становится в;
горизонтальной и составляет и » A,5*2)и . Поверх»
волна в этом случае практически не выделяется.
Временные параметры колебаний в волнах р и R очень слз
зависят от мощности взрыва (Т - д0<2 и TD ~ я0*2). Пей
колебаний в волне р изменяется примерно от 0,05-0,1
расстоянии 1 км/кт1* до 0,2-0,4 с на расстоянии 10-15
соответственно в волне р от 0,3-0,6 до 1-2 с, т.е. в
зоне период колебаний в поверхностной волне в 3-5 раз ввд
чем в продольной волне. Общая продолжительность всего п|
колебаний в сейсмической волне возрастает от 1-2 с .;
расстоянии 1 км/кт1/3 до 4-5 с на расстоянии 10-15 км. ;
Анализ сейсмических колебаний в ближней зоне показал,
в присутствии свободной поверхности взрыв становится
сложным источником излучения волн и не может быть пред
лен только в виде "центра расширения". Очевидно, что
интерпретации колебаний в поперечных и поверхностных волв$
необходим подбор самостоятельных источников излучения й
того типа, один из которых формирует поперечные вол§
другой - поверхностные.
По результатам измерений параметров сейсмических воли
ближней зоне взрыва, где еще справедлив закон энерге1
ческого подобия в его геометрической форме, был исследш
йесй
вопрос сейсмической отдачи при снижении приведенной
ны взрыва и, в частности, при взрывах на выброс, у кото;
Н < 0,04-5-0,06 км/кт1/3. На рис. 8.11 показано отн
максимальных скоростей смещения в продольной волне на
наковом приведенном расстоянии от эпицентра в зависимою
приведенной глубины взрыва. Этот результат был получен
материалам регистрации сейсмических волн в широком диа
расстояний и примерно одинаковых геологических условиях,
наземном взрыве скорость смещения снижается в 10 раз,
взрывах на выброс в 2-3 раза, и "сейсмическое насыще:
наступает на глубине взрыва Я > 0,1 км/кт1/3.
В средней зоне, на расстояниях свыше 10-15 км и прим
до 80-100 км, доминирующими становятся амплитуды голо
278
продольных волн, пришедших из гранит-базальтового слоя. По-
прежнему выделяются амплитуды колебаний в группе низко-
низкочастотных поверхностных волн (см. рис. 8.8, /). Скорости
распространения сейсмических волн одного типа усредняются, и
длительность колебаний возрастает, составляя несколько
знакопеременных фаз. Наиболее опасной по сейсмическому
воздействию на здания является группа продольных волн,
которая содержит максимальные скорости колебаний в высоко-
высокочастотном диапазоне с периодом Т
0,1+0,5 с. Опыт по-
казывает, что интенсивность колебаний в средней зоне су-
существенно зависит не только от энергии взрыва и свойств
породы в источнике, но также от особенностей скоростного
разреза и расположения отражающих слоев в земной коре.
Поэтому параметры сейсмических волн в этой зоне не соот-
соответствуют закону энергетического подобия в форме (8.8).
Более успешными для анализа оказались соотношения, которые
устанавливают связь параметров колебаний по отдельности от
энергии взрыва и эпицентрального расстояния в виде:
и
BgnR\
(8.16)
По материалам зарубежных и отечественных исследований для
максимальных значении горизонтальной и вертикальной компо-
компонент скорости колебаний в группе продольных волн средней
зоны можно рекомендовать зависимости
и
и
35<f-7R
(8.17)
Зависимости и от эпицентрального расстояния для двух
значений энергии взрыва 1 кт и 100 кт показана на рис. 8.10
соответственно линиями 3 и 3'. В зависимости от конкретного
геологического строения земной коры на отдельных участках
трассы распространения измеренная скорость колебаний может
до 2 раз отличаться от формулы (8.17). При измерениях на
слое мягкого грунта скорость колебаний обычно вдвое выше
зависимости (8.17). Этот диапазон изменения и на
рис. 8.10 показан штриховкой.
Амплитуды смещения и период колебаний в группе продольных
волн практически не зависят от глубины взрыва при условии
камуфлетности его проведения (Я > 0,1 км/кт1/3). Их можно
оценить по формулам (8.10) для безграничного массива на
соответствующих приведенных расстояниях от эпицентра взрыва
как W « I.SW и W * 09SW . Период колебаний в продольных
рх ' m pz m
волнах Т близок к периоду волны в безграничном массиве Т.
р ¦ tn
Высокочастотные колебания в продольных волнах затухают
сильнее, чем в низкочастотных поверхностных волнах. Следо-
279
вательно, по мере удаления от взрыва должен насту:
момент, когда максимальные амплитуды колебаний в сейсми-
сейсмической волне должны наблюдаться в группе поверхностных
Действительно, опыт показывает, что если в ближней
максимальные амплитуды наблюдались в основном в груши
продольных волн, то в средней зоне они соответствуют груш»
поверхностных волн. \
Амплитуда поверхностной волны определяется параметрам!
сигнала на границе упругой зоны и глубиной заложения зар
В частности, при глубоких взрывах (Я > 0,2 км/кт
поверхностная волна обнаруживается на записи с расстоя;
свыше 10-20 км. Скорость распространения поверхностной волшй
в средней зоне возрастает до 3,1-3,2 км/с. Соотноше:
периодов поверхностных и продольных групп волн на записи
обычно составляет Г- * B*4) Т и наиболее характерная
личина Г„ - 1+2 с. Максимальная амплитуда смещения в гру
поверхностных волн для горизонтальной и вертикальной ко:
понент в диапазоне расстояний 30-300 км соответствует
вестной формуле:
W
x,z
м
(8.18)
:\ч
где В - коэффициент, зависящий от условий регистрации,
x,z
В указанном диапазоне расстояний отмечается существенна!
зависимость амплитудных и временных параметров колеба
грунта от общего геологического строения региона, сейсми-
сейсмических свойств трассы и условий регистрации. Влияние тра
и условий регистрации приводят к значительному расхожден
параметров сейсмических волн на различных профилях вплоть
разброса амплитуд 50-100%. Однако отмеченная зависим
сейсмических колебаний от геологических условий обеспе
большую стабильность параметров волн на этих расстояниях
сравнению с ближней зоной, где преимущественное влияние
картину колебаний оказывают конкретные условия и свой
пород в очаге взрыва. Поэтому удается успешно использова1
соответствующую формулу (8.18) для оценок мощности подзем
взрывов по максимальным амплитудам смещения в поверх™
волне на калиброванных трассах. Этот экспериментальный
может быть также использован для разработки системы конт
за энергетическими параметрами подземных ядерных взрывов.
В дальней зоне, простирающейся на расстояния свыше 8)
-120 км, доминирующими амплитудами в группе объемных
становятся волны, отраженные от границы Мохоровичича (:
ро и s 5). Расстояние, на котором появляются эти волны,
их интенсивность тесно связаны с особенностями скорости
разреза земной коры и характером границы Мохоровичича, т
ее выдержанностью, перепадом скоростей, наличием переход»
слоя и т.д. Экспериментальные наблюдения при подзе
280
ядерных взрывах показывают в некоторых случаях увеличение
амплитуды смещения на порядок и более и скорости смещения в
2-3 раза. Поэтому прогностические зависимости для макси-
максимальной скорости колебаний в продольных волнах имеют мак-
максимум в диапазоне расстояний 100-150 км (см. рис. 8.10,
кривая 4 для 1 кт, кривая 4' для 100 кт). При наличии
достаточной толщи наносов или высокого уровня грунтовых
вод скорости колебаний могут удвоиться, что отмечено на
рис. 8.10 штриховкой. На расстояниях 150-5-300 км в группе
продольных волн наблюдается появление многократно отраженных
продольных и поперечных волн значительной интенсивности, и
происходит резкое возрастание видимых перепадов колебаний
примерно до 1 секунды. В результате увеличения периода
колебаний для горизонтальной компоненты скорости колебаний
обеспечивается примерно такой же закон затухания с расстоя-
расстоянием, как и для ближней зоны:
По данным подземных взрывов в Неваде для максимальной
скорости смещения в объемных волнах рп и s s установлен
закон затухания: и - A/ЛI-5'6 и максимум спектра про-
продольных волн лежит на частоте 0,8 Гц. Поскольку амплитуда
доминирующих продольных волн определяется главным образом
строением земной коры и особенностями скоростного разреза по
трассе распространения, то связь основных параметров сейс-
сейсмических волн с энергией взрыва и расстоянием не соответст-
соответствует законам подобия в форме (8.8) и устанавливается обычно
в виде (8.16), принятом в сейсмологии взрыва. По материалам
многочисленных наблюдений было установлено, что при прогнозе
максимальной скорости колебаний в дальней зоне целесообраз-
целесообразно применять соотношение и ~ tf0*8, которое и было исполь-
зовано при определении горизонтальной компоненты скорости
колебаний на рис. 8.10.
Важной характеристикой при оценке сейсмического воз-
воздействия является общая продолжительность колебаний в сейс-
сейсмической волне. По мере увеличения расстояния продолжитель-
продолжительность всего Цуга колебаний постоянно возрастает из-за раз-
различия скоростей распространения продольных, поперечных и
поверхностных волн и разделения этих групп волн во времени.
В свою очередь возрастает продолжительность колебаний в
каждой группе волн из-за появления многократно отраженных
объемных волн, а тахже дополнительных поверхностных волн,
возникающих внутри осадочного чехла. На рис. 8.12 приведена
зависимость общей продолжительности колебаний в сейсмичес-
сейсмической волне от эпицентрального расстояния, построенная по
результатам наблюдений при взрывах мощностью около 100 кт и
1000 кт. Регистрация сейсмических волн проводилась акселеро-
4
281
100
50
О
Рис. 8.12. Общая продолжительность коле-
колебаний G) и длительность колебаний в
группе объемных волн B) при мощных под-
подземных взрывах
1
50 100 150 /?,км
метрами, и продолжительность цуга ограничена амплитудой
колебаний, равной 0,01g, где g - ускорение свободного
падения. Видно, что продолжительность колебаний в сейс-
сейсмической волне практически прямо пропорциональна расстоянию
до эпицентра взрыва и, начиная примерно с R > 10 км, соот-
соответствует эмпирической формуле:
Г « 0,8Д.
(8.19)
Для сравнения на рис. 8.12 показана также ориентировочная
длительность колебаний в объемных волнах, которая зависит от
расстояния при Я > 10 км, как
t - 0,2*.
(8.20)
При использовании формул (8.19) и (8.20) следует учиты-
учитывать, что продолжительность колебаний существенно зависит от
масштаба взрыва, особенностей сейсмической трассы, условий
регистрации, включая частотные характеристики аппаратуры и
даже вид регистрируемого параметра (ускорение, скорость,
смещение). Наличие мягкого слоя в пункте регистрации уве-
увеличивает продолжительность колебаний почти вдвое по срав-
сравнению с регистрацией на скале. Применение акселерометров
снижает видимую продолжительность колебаний в 1,5-2 раза за
счет низкой чувствительности к поверхностным волнам.
Таковы основные особенности и параметры сейсмических
колебаний грунта по отдельным зонам, выделенным на различных
расстояниях от взрыва. Эти особенности необходимо учитывать
при решении вопросов сейсмической безопасности, принимая во
внимание те фазы колебаний и их характеристики, которые
определяют разрушительное действие сейсмических волн на
сооружения различного типа.
Сооружения обычно реагируют на сейсмическое воздействие
как колебательные системы с достаточно определенными собст-
собственными периодами колебаний. Период собственных колебаний
одноэтажных домов в зависимости от использования при строи-
строительстве материалов колеблется в интервале 0,05-0,2 с,
3-5-этажных кирпичных зданий 0,2-0,5 с, зданий выше пяти
этажей 0,4-1 с. Поэтому реакция зданий на движение грунта
существенно зависит от спектрального состава и длительности
сейсмических колебаний.
282
До тех пор пока проводились взрывы зарядов ВВ небольшой
массы на малых глубинах, сейсмические колебания были непро-
непродолжительными и состояли из нескольких периодов объемных и
двух-трех периодов поверхностных вод. В этих условиях наи-
наиболее опасными для зданий по частоте колебаний и по даль-
дальности распространения оказывались в основном поверхностные
волны, особенности геологич еского строения не играли су-
существенной роли, и достаточно надежным критерием сейсми-
сейсмической безопасности служила эмпирически установленная вели-
величина критической скорости колебаний 10 см/с.
При увеличении масштаба взрывов продолжительность сейс-
сейсмических колебаний существенно возросла, увеличились и
периоды колебаний всех групп сейсмических волн. Здания и
сооружения стали получать повреждения при параметрах коле-
колебаний, которые ранее в инженерной сейсмологии при взрывных
работах считались безопасными. Особенно отчетливо это про-
проявилось при проведении подземных ядерных взрывов, когда
область сейсмически опасного воздействия распространилась на
расстояния 100-200 км, охватив территории с разнообразными
геологическими и грунтовыми условиями. Расширился и состав
различных по назначению и прочностным характеристикам соо-
сооружений. Все это привело к снижению критических скоростей
колебаний, вызывающих повреждения или разрушение зданий из-
за возникновения в них периодического процесса вынужденных
колебаний подобно тому, как это происходит при землетря-
землетрясениях. В этих условиях прямой расчет зданий и сооружений
на действие сейсмических колебаний оказывается затрудни-
затруднительным и ненадежным.
По-прежнему эффективным для оценки сейсмического воз-
воздействия остается эмпирический метод критических скоростей,
в соответствии с которым наиболее опасными для построек
являются горизонтальные компоненты скорости колебаний
грунта. Причем при взрывах крупного масштаба определяющее
воздействие оказывают попеременно те группы короткопериодных
@,1-1 с) продольных и поперечных волн, которые доминируют
на различных расстояниях от эпицентра взрыва.
Колебания грунта » поверхностных волнах можно не учиты-
учитывать, поскольку их периоды в несколько раз больше периодов
собственных колебаний обычных зданий, а скорость колебаний
ниже» чем в объемных волнах. Установленные из опыта значения
критической горизонтальной скорости колебаний для различной
степени повреждений наиболее распространенных типов зданий
приведены в табл. S.3. Представлены две группы повреждений:
одна в случае повреждений примерно 50% общего количества
зданий, зарегистрированных в ближней и средней зонах, другая
для случая повреждений, примерно 5% обшего количества зда-
зданий, зарегистрированных в дальней зоне* При этом для описа-
описания интенсивности сейсмического действия принята известная
классификация повреждений:
283
Таблица 8.3
Критические горизонтальные скорости колебаний
для различной степени повреждения зданий
Объект
Максимальная горизонтальная
скорость и . см/с
50% повреждений
5% повреждений
Многоэтажные здания с кирпичными стенами 2-5/5-10 0,3*0,6/0,6-1,2
Многоэтажные крупнопанельные здания 0,5-1/1-2
Одноэтажные кирпичные здания 4-8/8-16 ' 0,5-1/1-2
жные деревянные дома 10-20/20-30 2-4/4-8
Саманные и глинобитные постройки 4-8/8-16 ' 0,5-1/1-2
Кирпичные печи и трубы ' 2-5/5-10 1-2/2-4
Обрыв линии электропередачи и поврежде- -/50-100 -/-
ния трубопроводов
Примечание. В числителе - для легких повреждений, в знаме
нателе - умеренных.
легкие: осыпание побелки, тонкие трещины в штукатурке, в
стыках плит перекрытия, в отопительных печах,
небольших кусков штукатурки;
умеренные: трещины в стенах и кладке печей,
кусков штукатурки, случаи повреждений ос-
жления.
Из данных табл. 8.3 можно отметить:
а) значение критической скорости заметно падает по мере
х, что связано, по-видимому, с рост
общей продолжительности сейсмических
б) при оценке сейсмической опасности следует учитывать
возможность появления легких повреждений при весьма низких
скоростях колебаний вплоть до 0,5-1 см/с;
в) для снижения количества повреждений зданий от 50 до 5%
ется примерно на порядок уменьшить скорость колебаний;
г) критическая скорость существенно зависит от типа
зданря.
При скорости колебаний грунта свыше 20-30 см/с в зданиях
появляются признаки тяжелых повреждений: массовое откалы-
откалывание и обрушение штукатурки, большие и глубокие трещины в
кирпичных стенах и перекрытиях, сплошное повреждение остек-
В табл. 8.4 приведено описание состо
ажных каменных зданий в широком диапазоне изменения мак-
>й горизонтальной скорости koj
а на основе сведений о повреждениях, указанных в
табл. 8.3 и 8.4 оценить сейсмически безопасные расстояния,
необходимо привлечь график на рис. 8.10 и учесть
условия проведения взрыва: породы в очаге, <
284
Таблица 8.4
Критические горизонтальные скорости колебаний
для различной степени повреждения каменных зданий
Степень повреждения
Баллы
Отсутствие существенных повреждений
Осыпание побелки, тонкие трещины в штукатурке
Трещины в штукатурке и перекрытиях, падение кусков
штукатурки
Трещины в кирпичной кладке, обрушение штукатурки
Большие трещины в стенах и перекрытиях, расслоение
кирпичной кладки
Частичное или полное обрушение несущих конструкций
здания
1,5-3
З-б
6-12
12-25
25^50
50-100
5
б
7
8
9
10
свойства i трассы н грунтовые условия на месте расположения
зданий. При взрыве мощностью 1 кт в скальных породах по-
последствия сейсмического воздействия возможно обнаружить в
зоне до 10 км, а умеренные повреждения зданий - до 3-5 км,
при мощности 100 кт эти расстояния возрастают соответствен-
соответственно до 100-200 км и до 20-30 км.
Сведения табл. 8.3 и 8.4 напоминают описание сейсмических
эффектов при естественных землетрясениях. Разрушительную
силу землетрясений в сейсмологии принято оценивать в баллах.
Степень балльности определяется по ощущениям людей, харак-
характеру повреждения зданий, образованию трещин на поверхности
земли, появлению оползней и т.д. На основании длительного
опыта подобных наблюдений разработаны шкалы интенсивности
(балльности) разрушительного действия землетрясений. Каждому
баллу шкалы приписываются определенные характерные разру-
разрушения и эффекты. В настоящее время в нашей стране и ряде
других стран применяется шкала MSK-64. По описаниям разру-
разрушений каменных зданий в табл. 8.4 поставлена соответствующая
балльность. Из табл. 8.4 видно, какие скорости колебаний
грунта отвечают той или иной балльности землетрясений. Ана-
Аналогичные данные приведены ниже (СВ. Медведев, Н.В. Шебалин,
Ф.Ф. Антикаев, 1964, 1967, 1969).
Связь между интенсивностью землетрясений и скоростью колебаний
5
б
балл
и, см/с:
по Ф.Ф. Антикаеву. . . 5,5
по СВ. Медведеву . . . 1,5-3 3-6
no C.B. Медведеву,
Н.В. Шебалину 2-4
6,5
8,5
7
7,5 8
9
10
13 18 30
6-12 - 12-24
24-48
48
4-8
8-16 16-32 32-64
По результатам табл. 8.4 на рис. 8.13 показана связь между
горизонтальной скоростью колебаний (см/с) и балльностью
(сплошная, линия), которая соответствует эмпирической
муле
285
UpXt см/с
103
Ю1
4 5 6 7 8 9 10 12
7, балл
Рис. 8,13. Соотношение между гори-
горизонтальной скоростью колебаний и
балльностью
Рис. 8.14.
ского воз
ности:
2, 3,
ависимость размера зон
нтенсивности сейсмиче-
1Я взрыва от балль-
СООТ1
10; 102; 103 кт
венно для
взрыва 1;
U
6 • 10/5.
(8.21)
Верхний пунктир - данные Ф.Ф. Антикаева, нижний - СВ. Мед-
Медведева и Н.В. Шебалина. Подставив в (8.21) поочередно за-
зависимости горизонтальной скорости колебаний от энергии
взрыва и расстояния (8.14) и (8.17), получим соотношение
между размером зоны (км) той или иной интенсивности раз-
разрушений от заданной балльности и эквивалентной мощности
взрыва (кт).
R - 2,8"• lOV33/-2*5 для q * 1-10,
(8.22)
R ш 8,5- 10Y'47/35 для q > Iff.
Размеры зон с различной интенсивностью сейсмического
воздействия в зависимости от дальности показаны на рис* 8.14
для ряда энергий взрыва в диапазоне 1 < q < 103 кт. В ука-
указанном диапазоне изменения энергии взрыва размер зоны,
охваченной равными изосейсмами, изменяется, примерно, на
два порядка. Для зарядов с энергией q » lO^lO3 кт диапазон
разрушительного воздействия от 5 до 10 баллов соответствует
расстояниям от 70-100 км до 7-10 км.
В последние годы в связи с проблемой контроля за испыта-
испытаниями ядерного оружия внимание сейсмологов обращено к теле-
телесейсмической области распространения волн. Благодаря интен-
интенсивному развитию исследований в этой области следует считать
доказанным возможность обнаружения подземных ядерных взрывов
сейсмологическими средствами. Предметом дальнейших исследо-
исследований являются взрывы малой эквивалентной мощности (менее
1 кт) и взрывы декаплинга, когда заряд размещен в полости.
286
Короткий триод и Длинный ritpvod
О 5с О 5мин
6
Рис 8.15. Образцы сейсмограмм от взрыва (а) и землетрясения (б) в теле-
телесейсмической области
В телесейсмической области записи волн от взрывов и
землетрясений внешне очень похожи (рис. 8.15). На этих
расстояниях отмечается полное разделение групп коротко-
периодных продольных волн (Т * 1+2 с) и длиннопериодных
поверхностных волн (TR » 10*30с). Поэтому для более четкой
регистрации колебаний в телесейсмической области используют
два типа сейсмоприемников: короткопериодные для регистрации
объемных волн и длиннопериодные для регистрации поверх-
поверхностных волн. В целях распознавания телесейсмических сиг-
сигналов от взрывов и землетрясений в настоящее время выделено
около десяти критериев:
1. По глубине очага, которая может быть определена по
расположению фаз продольных волн на сейсмограмме и, главное,
достаточно уверенно определяется глубина очага в несколько
десятков километров, что характерно для землетрясений.
2. Магнитудный критерий, основанный на отношении интен-
интенсивности колебаний объемных и поверхностных волн, которое
различно у взрывов и землетрясений.
3. Критерий первого движения, которое зачастую отличается
на сейсмограммах взрывов и землетрясений.
4. Спектральный критерий по объемным волнам, период ко-
колебаний которых в телесейсмической области заключен в ин-
интервале 0,5-2 с и практически не зависит от мощности взрыва.
У землетрясений период продольных волн обычно выше.
5. Спектральный критерий по поверхностным волнам, период
колебаний которых при землетрясениях смещается в область
больших периодов.
6. Критерий сложности записи, основанный на анализе за-
записи в целом, которая существенно сложнее и продолжительнее
в случае землетрясений.
7. Слабая интенсивность поперечных колебаний при взрывах
как у объемных волн 5, так и поверхностных волн L, которые
регистрируются на тангенциальных компонентах движения.
8. Наличие интенсивных форшоков и афтершоков при земле-
землетрясениях.
287
9. Азимутальные вариации магнитуды при землетрясениях.
10. Поляризационный критерий, основанный на слабой ин-
интенсивности поперечных колебаний при взрывах как в объемных
волнах 5, так и в поверхностных волнах L, которые регистри-
регистрируются на тангенциальных компонентах движения.
Некоторые из указанных критериев непосредственно видны
на записях, некоторые выявляются в процессе их обработки.
После распознавания сигнала от взрыва необходимо определить
энергию источника и его месторасположение. Эпицентральное
расстояние до источника обычно определяют по разности при-
прихода продольных и поперечных волн, глубину - по разности
прихода прямой и отраженной от поверхности земли продоль-
продольных волн.
Использование станций группирования позволяет установить
координаты взрыва с точностью 10 км. Энергию взрыва опре-
определяют по магнитуде сейсмического сигнала. Магнитудой на-
называют логарифм отношения максимальной амплитуды смещения
на сейсмограмме к периоду колебаний с учетом изменения этой
величины в зависимости от расстояния по калибровоч-
калибровочной кривой. В сейсмологической практике наиболее широко
используют магнитуды продольных волн т и поверхностных
волн MR.
По результатам регистрации телесейсмических сигналов при
подземных ядерных взрывах установлены зависимости магнитуд
объемных и поверхностных волн от мощности взрыва. В качестве
примера на рис. 8.16, 1 приведены такие зависимости для
взрывов в твердых породах типа гранита, соли, вулканического
туфа и др. Мощности взрывов взяты из опубликованных данных.
В рассматриваемом случае взрыва в твердых породах зависи-
зависимости магнитуды объемных тп и поверхностных MR волн от
мощности взрыва имеют вид:
т
M
R
4,3
3,2 + 0,85Ig?.
(8.23)
Зависимости
магнитуды от мощности взрыва оказались
чувствительными к типу породы в очаге взрыва. С понижением
импенданса среды снижается доля энергий, идущей на образо-
образование сейсмических волн, и магнитуды сигналов уменьшаются.
Для сравнения на рис. 8.16 пунктиром показаны зависимости
от взрывов в пористом туфе (8.8) и аллювии (8.9), магнитуды
сейсмических сигналов которых оказались примерно на 10
и 15% соответственно ниже, чем в твердых породах. Для взрыва
в твердых породах из (8.23) легко получить зависимости
энергии взрыва от магнитуды объемных и поверхностных волн:
Q ¦
288
, т /0,85
5-10'10 Р
Рис 8.16. Зависимость сейсмической маг
нитуды от энергии подземного взрыва:
I - твердые породы; 2 - пористый туф; 3
аллювий
д- 1,8-10
-4
10
Л/-/0.85
(8.24)
Таким образом, современные методы обработки телесейсми-
телесейсмических записей, зарегистрированных сетью станций, позволяют
выделить сигналы от подземных взрывов эквивалентной мощ-
мощностью свыше 1 кт, надежно идентифицировать их от земле-
землетрясений, определить место и время взрыва, и по магнитуде
сейсмического сигнала оценить энергию заряда.
В настоящее время сейсмология взрывов как научное на-
направление интенсивно развивается. Дальнейшие исследования
нацелены на:
повышение чувствительности сейсмического метода контроля
за ядерными взрывами и разработку автоматизированной системы
обнаружения и идентификации сейсмических сигналов;
обеспечение сейсмической безопасности взрывных работ и, в
частности, совершенствование методики прогноза сейсмического
действия крупномасштабных промышленных взрывов с учетом
геолого-геоморфологического строения района строительства;
развитие сейсмических методов диагностики горных мас-
массивов ;
развитие высокочастотных методов регистрации сейсмических
колебаний;
изучение сейсмического режима и медленных
каций в связи с блочным строением массивов;
использование сейсмических колебаний от
для изучения строения 3<
глубинах.
зрывных
ых взрывов
и состояния пород на больших
8.4. ПРИМЕНЕНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВЗРЫВОВ
ПРИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ
Рассмотренные в настоящей работе проявления крупно-
крупномасштабного подземного взрыва позволяют говорить о принци-
принципиальной возможности его использования на стадии подготовки
массива горных пород к выщелачиванию. Основные параметры
подготовки (с точки зрения геотехнологических способов
переработки рудного материала)» достигаемые в зоне разру-
разрушения подземного взрыва, обеспечивают достаточно высокую
степень вскрытия металлосодержащих включений [72} при
хороших фильтрационных способностях подготовленной рудной
массы. Причем при относительно невысоких удельных расходах
энергии крупномасштабный взрыв обеспечивает высокий про-
процентный выход мелких фракций (табл. 4.4), что непосредст-
непосредственно связано с масштабом воздействия: большие абсолютные
деформации материала среды в объеме приводят к дополнитель-
дополнительному дроблению горной породы по сравнению со взрывами малого
и среднего масштаба.
Опыт применения технологии подземного выщелачивания на
рудных месторождениях, а также имеющиеся в литературе про-
проработки позволяют оценить нижние пределы основных параметров
подготовки горного массива, таких как проницаемость и размер
отдельности. В ряде работ [24, 38] указывается на возмож-
возможность организации выщелачивания полезного компонента без
проведения дополнительной подготовки при коэффициенте про-
проницаемости к > 2'Ю3 i^. Что касается среднего размера
отдельности, то имеющиеся данные [24] свидетельствуют об
успешном выщелачивании рудных масс, средний размер которых
<х> составляет около 0,25 м. При <х> 0,25 м процесс выщела-
выщелачивания также возможен, однако вследствие меньших скоростей
извлечения полезного компонента для обеспечения необходимой
производительности участка необходимо вовлекать в перера-
переработку большую по объему рудную массу.
Основной интерес с точки зрения возможности осуществления
геотехнологического процесса непосредственно на месте зале-
залегания руды представляет рассмотрение фильтрационных харак-
характеристик породного массива в зоне разрушения подземного
взрыва. Исследования, проведенные в настоящей работе, сви-
свидетельствуют о значительном увеличении проницаемости пород-
породного массива в результате подземного взрыва. Обращаясь к
конкретным значениям фильтрационных параметров среды после
взрыва, убеждаемся в возможности организации беспрепятст-
беспрепятственной циркуляции растворителя в значительной по объему
области (объем рудной .массы, коэффициент проницаемости
которой превышает 2 -10" м2, составляет для взрыва эквива-
эквивалентной мощностью 2 кт значение около 2 е 106 м3).
Одновременно с этим крупномасштабный взрыв оказывает
заметное влияние на фильтрационные характеристики собственно
горной породы, расположенной в зоне разрушения массива.
290
Увеличение проницаемости горной породы в объеме около
5-105 м3 на 1 кт энергии взрыва является еще одним весомым
аргументом в пользу использования крупномасштабного взрыва в
геотехнологии.
Применение мощного взрыва дает возможность (с точки
зрения удельных затрат) применять дополнительные меры для
повышения качества подготовки больших рудных масс к выщела-
выщелачиванию, и в первую очередь - экранировку взрывного воз-
воздействия, позволяющую заметно увеличить степень и прост-
пространственную равномерность дробления горной породы в преде-
пределах подготавливаемого участка.
Достигаемые в зоне разрушения мощного взрыва грануло-
гранулометрические и фильтрационные характеристики рудной массы
позволяют извлекать полезный компонент методом подземного
выщелачивания в экономически целесообразные сроки. Предпо-
Предполагаемое количество металла, которое может быть извлечено
непрерывным выщелачиванием из рудной массы, подготовленной
крупномасштабным взрывом, приведено ниже.
Предполагаемое количество извлечения металла (р* при выщелачивании рудной
массы, подготовленной крупномасштабным взрывом <<рэ - то же, при
подготовке с экраном
Время выщелачивания, сут
«Рм, %
О * • ¦ ¦ « ъ * * 4 + + * *
50
24
36
100
41
60
200
59
75
300
71
84
400
78
91
Оценки проводились на основе расчетной модели процесса
подземного выщелачивания, описанной ранее, применительно к
медно-никелевым рудам Кольского региона (скорость проникно-
проникновения раствора в породу составляет величину около 10'3 м/с)
[67]. Гранулометрические и фильтрационные параметры выщела-
выщелачиваемого материала выбирались в соответствии с результата-
результатами исследований породы в зоне разрушения мощного подземного
взрыва энергией 2 кт. Размер участка подземного выщелачи-
выщелачивания выбирался в соответствии с размером области, в кото-
которой средний размер отдельности не превышал 0,5 м.
Результаты детальных исследований процесса выщелачивания
различных руд свидетельствует о значительном влиянии тем-
температуры на скорость извлечения полезного компонента. Дан-
Данные, приведенные в работе [67], показывают, что увеличение
температуры с 20 до 50 С приводит к увеличению скорости
извлечения металла в 1,5 раза. Разогрев среды при подземном
взрыве в области неупругого деформирования материала следует
рассматривать в качестве положительного фактора крупно-
крупномасштабного взрывного воздействия при подготовке породного
массива к выщелачиванию. Наблюдаемое повышение температуры
разрушенной среды и сохранение интенсивного теплового поля в
течение продолжительного времени является действенным
интенсификатором процесса подземного выщелачивания и может
291
заметно сократить сроки извлечения полезного компонента и:
недр.
Обоснование возможности применения мощного подземной
взрыва в геотехнологии не ограничивается рассмотрение*
только положительных факторов крупномасштабного взрывной
воздействия, а также возможных технологических приемов
улучшающих характеристики подготовленной горной массы
Большое внимание необходимо уделять охране окружающей среды
в первую очередь - обеспечению безопасности при возможно*
радиационном загрязнении горной породы. Вопросы сейсмиче-
сейсмической и радиационной безопасности при использовании мощной
взрыва в промышленности подробно анализируются в литературе
Результаты исследований в условиях максимально приближенные
к промышленному эксперименту [65] свидетельствуют о том, чт(
при соблюдении необходимого в этом случае контроля и ме|
предосторожности радиоактивность не является серьезно!
преградой на пути использования мощного подземного взрыв;
при геотехнической подготовке породных массивов. В част-
частности, помимо непосредственного отделения радиоактивно!
породы [62] существуют и другие возможности для повышения
радиационной безопасности: применение термоядерного взрыв-
взрывного устройства (эксперимент показал, что остаточное гамма-
излучение от термоядерного взрыва эквивалентной мощностьк
1 Мт с атомным взрывателем эквивалентной мощностью 3 кт i
3 раза ниже, чем от атомного взрыва той же эквивалентно!
мощности 1 Мт [27], применение противонейтронной экраниров
ки заряда (каждые 0,15 м толщины нейтронного экрана из оки-
окиси бария позволяют на порядок снизить радиоактивность npi
подземном взрыве). Проведенный эксперимент [90] показа!
достаточно низкий уровень радиоактивности при переработка
медьсодержащих растворов экстракцией или электродиализо»
(выщелачивался рудный материал из столба обрушения подзем-
ного ядерного взрыва)* При этом уровень радиации в непо-
непосредственной близости от емкостей с технологическими раст-
растворами не превышал 1 мР/ч.
Экономические показатели геотехнической подготовки гор
ного массива с помощью крупномасштабного подземного взрыва
определяются помимо прочего мощностью используемого взры»
ного устройства. Анализ показывает, что удельные затраты н|
дробление горной породы значительно снижаются при испол%|
зовании более крупных по энергии источников. !
-г.
Затраты на дробление горной породы при подземных ядерных взрывах разно!
мощности '
мощность заряда, кт . . . 10 20 50 70 100
Стоимость заряда, тыс. долл 350 390 425 450 470 ч
Затраты на дробление 1 т породы, долл . 1,38 0,51 0,27 0,19 0;14г
При этом существенно, что стоимость единицы энерпс
гльво ниже стоимости единицы энерщ
292
химического ВВ. В качестве иллюстрации ниже приведена удель-
удельная стоимость . энергии некоторых взрывных источников, отне-
отнесенная к удельной стоимости энергии тротила.
Сравнительная стоимость удельной энергии различных источников взрыва
Тротил
Динамит 0,86
Нитрат аммония . . ¦ • • 0,26
Ядерное устройство эквивалентной мощностью, кт:
10 и,и/о
100 ••
1000
Сравнение с затратами на дробление при взрывах химичес-
химического ВВ (с. учетом компактности ядерного заряда) показывает
экономическую целесообразность использования подземного
взрыва при эквивалентной мощности более 3 кт. В частности, в
работе [24] приведены сравнительные затраты на разработку
месторождения халькозиновых руд B4 млн. т руды с содержа-
содержанием меди около 1%) с помощью традиционной технологии и
технологии подземного выщелачивания с подготовкой горной
массы крупномасштабным взрывом. Сравнение показывает, что
стоимость 1 т меди, полученной методом подземного выщела-
выщелачивания с подготовкой ядерным взрывом почти в 1,5 раза ниже
стоимости меди, полученной с помощью традиционной техно-
технологии.
Имеющиеся проекты предполагают использование подземного
ядерного взрыва для первоначального дробления мощных залежей
бедных и забалансовых руд [23], в том числе на стадии под-
подготовки горного массива к выщелачиванию [62]. В качестве
примера рассмотрим американский проект "Слуп" [84], преду-
предусматривающий на стадии опытно-промышленных работ подземное
выщелачивание меди из руд Саффордского месторождения (штат
Аризона) в столбе обрушения, сформированном в результате
подземного ядерного взрыва, эквивалентной мощностью 20 кт на
глубине 366 м.
Предполагаемые в проекте размеры столба обрушения (радиус
30 м, высота 134 м) определяют количество разрушенного
материала 1,3 млн.т при среднем содержании меди 0,41%. Ожи-
Ожидаемый гранулометрический состав подготовленной к выщела-
выщелачиванию рудной массы характеризуется средним размером от-
дельности около 0,2 м. Коэффициент разуплотнения равен 1,25.
Указанные параметры подготовки позволяют получить извлечение
70-80% меди за год, причем технологические характеристики
руд Саффордского месторождения определяют расход кислоты в
количестве 4,4 т на тонну чистого металла.
Промышленную разработку месторождения предполагается
проводить также выщелачиванием. Подготовка массива в этом
случае должна проводиться на основе дробления рудного тела
ядерными зарядами эквивалентной мощностью порядка 100 кт.
293
В рассмотренном и других проектах предусматривается вы-
з руды в пределах столба обрушения,
проведенные в настоящей работе, указывают на возможность
ия выщелачивания в зоне взрывного дроб.
объем столба обрушения.
не только благоприятно сказывается на экономике
эго выщелачивания, но также расширяет возмож-
[ости для реализации конкретных технологических схем.
9. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РУД,
ОТБИТЫХ КРУПНОМАСШТАБНЫМ ВЗРЫВОМ
9.1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ
ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ
Процесс выщелачивания полезного компонента, происходящий
при контакте химически активного реагента с металлосодер-
жащими включениями, определяется структурными и фильтра-
фильтрационными характеристиками разрабатываемого породного массива
и слагающих его пород. Проработка вопросов, связанных с
установлением возможности использования крупномасштабного
подземного взрыва на стадии геотехнической подготовки по-
породного массива, требует проведения оценок выходных харак-
характеристик процесса выщелачивания рудной массы, проницаемость
и гранулометрический состав которой соответствуют анало-
аналогичным характеристикам, достигаемым в зоне разрушения под-
подземного взрыва. В связи с этим необходимо разработать
аналитическую модель процесса подземного выщелачивания,
которая позволяла бы в рамках единого физического пред-
представления описывать количественно наиболее существенные
черты рассматриваемого процесса.
Процесс подземного выщелачивания определяется в первую
очередь структурными характеристиками массива. Следовав
тельно, основу аналитической модели должны составлять функ*
циональные связи между технологическими параметрами собст-
собственно процесса выщелачивания и структурными характеристиками
выщелачиваемого массива. Под технологическими параметрами
процесса ПВ в данном случае подразумеваются гидродинами-
р у у
ческие характеристики потока рабочего тела в среде, а
выходные параметры процесса. Основным параметром, опреде-
определяющим действенность геотехнологического способа разработки,
является степень извлечения металла
-.->¦
яг
AH(t) =
(9.1)
где M(t) - количество металла, содержащегося в извлеченной
294
из рудной массы продуктивном растворе к моменту времени t;
Mo - общее количество металла в выщелачиваемой массе.
Динамика выщелачивания металла из подготовленной в гео-
геотехническом плане металлосодержащей среды определяется
конкретной технологической схемой и способом орошения рудной
массы (гидродинамический, инфильтрационный). При этом вне
зависимости от используемой схемы выщелачивания перевод
металла в подвижное состояние осуществляется одновременно с
поверхности отдельностей, поверхности микротрещин и микро-
порового пространства горной породы.
Выщелачивание металла с поверхности отдельностей начи-
начинается практически сразу после подачи рабочего раствора в
массив н заканчивается в наиболее короткие сроки. Более
длительным является процесс выщелачивания в микротрещинах.
И, наконец, наиболее продолжительным - процесс выщелачи-
выщелачивания, происходящий в микропоровом пространстве. Время вы-
выщелачивания металла в каждом из перечисленных случаев
определяется, во-первых, конкретным механизмом доставки
растворителя к металлосодержащим включениям, а, во-вто-
во-вторых, относительным количеством металла, находящегося на
поверхности соответствующих приницаемых каналов. Последнее
определяется помимо прочего текстурными особенностями ору-
денения.
В связи с тем, что структурные характеристики трещинного
(промежутки между отдел ьностями), микротрещинного и микро-
порового проницаемых пространств существенно отличаются друг
от друга, необходимо рассматривать процесс выщелачивания в
каждом из перечисленных проницаемых пространств по отдель-
отдельности (с точностью, обеспечиваемой допущением о независи-
независимости процесса выщелачивания в указанных пространствах).
Такой подход представляется в нашем случае наиболее прием-
приемлемым, поскольку динамика движения, а также характеристики
у знойного процесса, определяющие скорость собственно
выщелачивания, имеют двои особенности для конкретного про-
проницаемого пространства.
Наиболее сложный для описания процесс выщелачивания в
микропоровом пространстве определяется временем капиллярной
пропитки, а также характеристиками диффузионного переноса
ионов металла в стесненных условиях порового канала. Раз-
Раздельное рассмотрение процесса выщелачивания металла с по-
поверхности отдельностей и поверхности микротрещин позволяет
учесть особенности движения растворителя в каждом конкретном
случае и выделить общие закономерности перехода металла в
раствор*
Переход ионов металла из металлосодержащих включений в
легкоизвлекаемый из рудной массы растворитель осуществляется
в результате ряда последовательных физических процессов,
куда входят: собственно растворение металла в результате его
химического взаимодействия с растворителем, диффузионный
ИНН
295
отток продуктов реакции от поверхности непосредственного
контакта растворителя с металлсодержащим включением и вымы-
вымывание продуктивного раствора из рассматриваемого проницае-
проницаемого пространства.
В настоящей работе не будут рассматриваться электро-
электрохимические процессы на границе металл-растворитель. Сложная
физико-химическая структура пограничного слоя будет пред-
представлена в виде пристеночного ионного слоя с характерной для
данного металла и его растворителя концентрацией Со. Оче-
Очевидно, что величина Со соответствует максимально достижимой
концентрации ионов металла в растворителе. Поскольку кон-
концентрация молекул химически активного реагента в свеже-
свежеприготовленном рабочем растворе составляет
, (9.2)
?
С « Э - PNJA + Э„
к р л р
где М и Э - соответственно молекулярная масса и массовая
¦ р
концентрация химически активного реагента в растворе, полу-
получаем выражение для средней по поверхности взаимодействия
растворителя с металлсодержащим включением концентрации
ионов металла Со выражение
nt р О А_
A - в )р п М
(9.3)
г
где NA - число Авогадро, р - плотность воды при нормальных
условиях (при низких концентрациях химически активного
реагента плотность раствора практически совпадает с плот-
плотностью р), лм - количество молекул химически активного
реагента* необходимое для перевода одного иона металла в
подвижное состояние (стехиометрическое соотношение); ро и
рм - соответственно плотность горной породы и выщелачивае-
выщелачиваемого металла; а„ - массовое содержание металла в руде.
При выводе соотношения (9.3) учитывалось, что поверх-
поверхностная концентрация металла <х_ в среднем приближается к
о ¦
объемной
Для подтверждения справедливости последнего утверждения
рассмотрим отдельность руды в форме куба с длиной ребра zK.
Согласно определению поверхностной концентрации металла
где SM (z) - поверхность металлических включений на поверх-
поверхности сечения, проходящего на расстоянии z от боковой гра-
границы отдельности.
296
Определяя среднее значение параметра а по объему отдель-
ности, получаем
SH(z)dz - -
_ 0 zl
где VH - суммарный объем металла в отдельности.
На основании полученного соотношения с учетом
получаем окончательно
(9.4)
9.2. ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ МЕТАЛЛА
С ПОВЕРХНОСТИ МИКРОТРЕЩИН
Будем рассматривать диффузионный процесс, происходящий в
микротрещинном пространстве горной породы при условии его
полной заполненности растворителем. Индивидуальный прони-
проницаемый канал микротрещинного пространства представим в виде
плоской щели со средним раскрытием ск.
Оценим предварительно характерное время насыщения раст-
растворителя ионами металла в случае неподвижного рабочего тела.
Концентрация ионов металла С в растворителе описывается с
расстоянием до поверхности микротрещины xi уравнением сво-
свободной диффузии.
™1D *—I , (9.J)
at m дх\
где D - коэффициент диффузии ионов металла в растворе.
Начальные и граничные условия задачи следует принять в
виде
/¦ - 0; Cm(xv0) - 0,
(9.6)
ас
С @,0 - Со;
1
0 - (9.7)
Предельное условие на границе xi - eK/2 означает, что
поток ионов через осевую поверхность микротрещины отсутст-
отсутствует (вследствие симметрии диффузионного процесса от проти-
противоположных стенок микротрещины).
С помощью Фурье-метода определяем собственные значения
краевой задачи (9.5)-(9.7)
297
Рис 9.1. Распределение концентрации
ионов металла в микротрещине при разном
времени с начала процесса;
1 - 0,1 с; 2 - 0,5 с; 3 - 1 с; 4 - 5 с;
5 - 10 с; б - 20 с
д
•
B. - 1)Я
= *> 2> 3> -' п
и соответствующие им собственные функции
f.
с
т
С
0
, i = 1, 2, 3, ..м п.
В результате получаем решение смешанной задачи в виде
1 -
A W
— I
1-1
sin[Bt -
21 - 1
х exp
i - lJU2D t -i
m
(9.8)
Полученное решение позволяет оценивать степень насыщенно-
насыщенности рабочего раствора ионами металла, а также время полного
насыщения t (момент достижения концентрации Со во всем
объеме микротрещины). В качестве иллюстрации на рис. 9.1!
представлен вид зависимости С (xi) для разных моментов
времени, вычисленный на основе (9.8) при наиболее типичных
значениях е* «
3-Ю м и D
т
10 М7С. Время полного
насыщения растворителя * в этом случае составляет величину
около 25 с. Аналитическое выражение для
из (9.7), представим в виде
X:
как это следуем
t
B+3)е2/(л22> ).
• к m
ъ
.'.'-"г
Дальнейшее рассмотрение задачи о выщелачивании с повер:
ности микротрещин связано с установлением количества
талла, выходящего с продуктивным раствором. Предварит
оценим время t , в течение которого растворитель нахо
298
внутри микротрещинного пространства отдельности размером
<х>. На основе трещинного представления лодучаем
^Г
к
где ыф « el&P/l2ti\KNiH - физическая скорость движения раст-
растворителя в микротрещинном пространстве; Лк и N\ - соот-
соответственно микротрещиноватость породы и количество систем
микротрещин; ц - вязкость растворителя; АР - перепад дав-
давления рабочего раствора по высоте отрабатываемого блока ПВН,
Сравнивая между собой выражения для t и fy, получаем
С
t @,16-5-0,25)е4Дя
« 1.
к 1 m
Действительно, для реальных значений д ¦= 10 кг/ (м • с),
Лк - 102, <х> ~ 10 м, М - 3, ек - 3-10 м, ДР/Я -
¦= 104 кг/м2#с2 отношение f /f составляет около 0,05.
Полученное соотношение между временами tut позволяет
С X
рассматривать происходящий в микротрещинном пространстве
процесс диффузии без учета движения растворителя вдоль
границы растворитель-металлсодержащее включение. Помимо
этого полученное в результате решения диффузионной задачи
соотношение t It « 1 дает возможность отказаться от де-
тального описания процесса насыщения рабочего раствора
металлом.
Таким образом, можно считать, что с достаточной для
практических оценок точностью продуктивный раствор, вы-
выходящий из микротрещинного пространства, имеет концентрацию
ионов металла, равную Ск.
Выражение (9.2) определяет массовое количество металла в
единице объема продуктивного раствора, получаемого из микро-
микротрещинного пространства, в виде
????
ек р * р м
где А0 - атомная масса выщелачиваемого металла.
Если за начальный момент времени t » 0 принять момент
заполнения рабочим раствором трещинного (достаточно высоко-
высокопроницаемого) пространства, то cs
из микротрещинного пространства в накопитель,
представимо в
М,
(9.10)
299
где V - объем выщелачиваемого блока; уф и уФк - соответст-
соответственно скорость фильтрации по трещинному и микротрещинному
пространствам. При этом в соответствии с E.11)
(9Л1)
где SK и S - соответственно коэффициенты перекрытия прони-
проницаемых каналов микротрещинного и трещинного пространств;
- максимальное раскрытие трещин в массиве; <х> - средний
размер отдельности в подготовленной к выщелачиванию горной
массе.
При выводе зависимости (9.10) учитывался объем продук-
продуктивного раствора, поступающего из микротрещинного про-
пространства по трещинному высокопроницаемому пространству.
Действительно, продуктивный раствор, выходящий из микро-
микротрещинного пространства отдельностей, расположенных в верх-
верхней части выщелачиваемого блока, попадает в трещинное про-
пространство и в соотношении Уфк/уФ попадает в накопитель из
трещин. При этом необходимо учитывать, что первые порции
продуктивного раствора из микротрещин начинают выходить из
блока с момента времени
* 12it<x>HNx/(е*ЬР).
Общее количество металла, расположенного на поверхности
микротрещин составляет величину
- 2A - p,
где m - пористость массива, Ьм - линейный размер металлсо-
металлсодержащего включения.
Время полного выщелачиваяия металла с поверхности микро-
микротрещин составляет
24A -
4
A - 5
Р мГко ко
ре3А A
к к
(9.12)
Таким образом установлено, что общее количество металла,
находящегося на поверхности микротрещин, выщелачивается в
интервале (t ,t ), причем выход металла со временем опре-
деляется линейной зависимостью (9Л0).
9.3. ДИНАМИКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО КОМПОНЕНТА
ИЗ МИКРОПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА
Важной технологической характеристикой горной породы
является время заполнения микропорового пространства раст-
300
ворителем tn. Параметр tn определяет не только среднюю
скорость выщелачивания, но и предрасположенность конкретной
горной породы к выщелачиванию без проведения специальных
мероприятий по воздействию на ее микроструктуру.
Динамику насыщейия порового пространства горной породы
химически активным растворителем в простейшем случае можно
характеризовать средней скоростью проникновения раствора в
микропоровое пространство ап. Движение жидкости в капиллярах
описывается на основе теории капиллярной пропитки [7]. В
связи с тем, что практическое применение теории пропитки
связано с многочисленными трудностями описательного харак-
характера, для оценок основных параметров движения растворителя
воспользуемся законом Пуазейля. В этом случае расход жид-
жидкости GK связан с параметрами капилляра зависимостью
(9.13)
где гк - радиус капилляра, ДРК - перепад давления по длине
капилляра /к.
Перепад давления АРК складывается из двух слагаемых:
гидродинамического перепада давления вследствие наличия
LP/H и
Л - Ът cosO Jr.., (9.14)
V It
где сгк - коэффициент поверхностного натяжения жидкости» 0С -
краевой угол мениска.
Таким образом из (9.13) с учетом (9.14) получаем скс
пропитки в виде
а
п
2СГ* с os 6
(9.15)
где Ф - коэффициент сопротивления, учитывающий трение при
движении жидкости в реальных капиллярах малого сечения.
Опытным путем установлено, что величина а„ - определяется
конкретной структурой горной породы. Для справки в табл. 9.1
приведены значения средней скорости пропитки ап для
некоторых скальных пород [32].
Более детальные исследования показывают, что скорость
капиллярной пропитки падает по мере проникновения выщела-
выщелачивающего раствора вглубь породы. Последнее объясняется не
только большей нарушенностью породы у свободной поверхности
куска, но также сжатием находящегося в порах воздуха при
проникновении смачивающей жидкости в тупиковые капилляры
(при быстром погружении образца в жидкость либо одновремен-
одновременной пропитки со всех поверхностей сквозные капилляры также
следует рассматривать как тупиковые).
На основании экспериментальных данных, полученных при
изучении образцов гранит-порфира (крепость по шкале п
М.М. Протодьяконова 1Q-15, пористость ~1%), авторы работы
301
Таблица 9.1
Средняя скорость пропитки некоторых горных пород
Структура пород
Крепость по
шкале проф.
М.М. Прото-
дьяконова
Плотность,
кг/м3
Пористость,
/
о
1С'8 м/с
Трахитовая
(трахидацит)
Порфировая
(фельзит-порфир)
Равнозернистая
(базальт)
Равнозернистая
(гранит)
15-17
10-12
9-12
8-10
2500
2450
2430
2440
0,61
1Д
0,57
0,89
0,53
1,5
0,44
1,04
[22] рекомендуют при определении скорости пропитки пользо-
<2п
+ в,
ще /п - глубина проработки отдельности раствором; А и В -
коэффициенты, характеризующие проницаемость породы (конк-
(конкретные значения коэффициентов^ вычисленные по данным работы
составляют Х« 9,24-Ю"8 м/с, В - 3,9-Ю м1/2/с).
При дальнейших оценках будем пользоваться средней ско-
скоростью пропитки, предполагая для простоты ап e const. Гра-
Гранулометрический состав выщелачиваемой рудной массы будем
характеризовать распределением Розина-Раммлера C.6).
Рассматривая отдельности одинакового линейного размера х,
получаем, что к моменту времен t пропитается объем породы,
равный
VAx) -
где V -
V<p{x)
1 -
ость распред
(9.16)
объем выщелачиваемой массы, <р(х) -ил
отдельностей
рр
чае распределения C.6) имеет вид
по размеру,
в слу-
слу<р(х)
и-1
ехр
П 1
(9.17)
Общее массовое количество растворителя, внедрившегося в
микропоровое пространство отдельностей одинакового размера
составляет величину
Мр(х)
- m)V<p(x)
1 -
где т и то - соответственно пористость рудной массы и
собственно горной породы.
302
Учитывая, что к моменту времени t отдельности с размером
х < loat будут полностью пропитаны растворителем, определяем
с использованием C.6), (9.16) и (9.17) относительное коли-
количество металла, вступившего в контакт с растворителем в
микропоровом пространстве
JL
м
1 - ехр
00 f
Li
х
tap
х0
пЛ
ехр
X
хо
отсюда
-*
3 ?
А/
1 - е- + -f- J
n
СО
2
4
(9.18)
b
n
2ant/xo; Mv - количество металла, находящееся в
где
глубине рудного материала.
Для малых времен t « хо/ап
в более простом виде
зависимость (9.IS) представима
МлЦХ
ы
хо
ЪпЬА
4
nb
8
Г 2 -
+ -а§4 Г 12
Г 2 -
где Г (у) - гамма-функция.
Полученная зависимость (9.18) определяет количество ме-
металла, находящегося в области насыщения горной породы хими-
химически активным реагентом. При необходимости формулу (9.18)
можно использовать для ориентировочной оценки степени изв-
извлечения металла со временем из микропорового пространства.
Для этого достаточно учесть время извлечения раствора из
отдельности, что достигается подстановкой в формулу (9.18)
вместо (9.15) значения
ап
г, ФАР
(¦*
<rKcos8c |
(9.19)
¦ ¦ * Ар +
я u
При выводе последнего соотношения учитывалось, что про-
протяженность капилляра U сравнима с размером отдельности
а физическая скорость истечения продуктивного раствора из
зоз
MM)
Рис. 9.2. Доля металла, извлеченного из
микропороврго пространства отдел ьносгей в
результате выщелачивания (оценки при
п = 1Д)
капилляров, полностью заполненных жидкостью, составляет
величину, равную
(8д#).
В качестве иллюстрации на щс. 9.2 представлена относи-
относительная величина ММ) в безразмерных координатах, рассчи-
рассчитанная согласно (9Л8) при п = 1,1.
Основные характеристики процесса переноса внутри микро-
порового пространства отдельности можно получить на основе
теории стесненной диффузии [10]. Рассмотрим постановку этой
задачи для случая отдельности кубической формы (длина ребра
) Пространственные координаты *., / = 1, 2, 3 ориенти-
ориентированы в трех взаимно перпендикулярных1 направлениях, причем
координата хг совпадает с направлением gradP. В этом случае
концентрация ионов металла С я микропоровом пространстве,
заполненнрм раствором, описывается уравнением
дС
dt
д2с
¦И- +
д2с
dxl
д2с
д
дс
т
дхг
(9.20)
!Эфф
стеснения
0
/О
1, 2, 3).
В г
случае параметр D* связан с коэффициентом
ЮбоДНОЙ
D
т
[7]
D
(9.21)
где г - радиус да
II Н
ундирующего иона
дется с момента заполнения микро
ворителем) *
ют вид (отсчет времени ве
эанства раст
304
t = 0; CJx.,0) = С .
f ft? ?
(9.22)
Граничные условия смешанной задачи записываются с учетом
материального баланса
х. = ± <х>/2, (i ш 1, 2, 3);
(дС/дх.) " -ВАС - CJ/<x>, i- 1, 2, 3;
TIL » ? мм А
(9.23)
где В. = k+<x>/D+ - диффузионный критерий Био; к+ - коэффи-
коэффициент массоотдачи; С и Сю - соответственно концентрация
ионов металла на поверхности куска и равновесная концент-
концентрация, при t —*• оо (последняя стремится к концентрации ионов в
растворе, омывающем отдельности).
В целях установления вклада диффузионной составляющей в
;ий процесс извлечения металла из микропорового про-
пространства отдельности рассмотрим решение чисто диффуз-
диффузной задачи, для чего в правой части уравнения (9.20) по-
положим ап - 0 (конвективный вынос полезного компонента от-
отсутствует) .
При хзо « хю - X2G решение смешанной задачи (9.20),
(9.22), (9.23) имеет вид
С - С
т к
00
1 -I
V-1
4В.
+ гв. + о.J
cos
X
cosfi
exp
v
(9.24)
(v
1, 2, 3, ...) - корни характеристического .урав-
.уравнения
ctgjx -
¦щ
Используем решение (9.24) для оценки временных параметров
диффузионного процесса извлечения металла из микропор в
=¦ 0 (отдельность
наиболее благоприятных условиях. При С
00
омывается каждый раз свежим раствором) получаем
00
cos
с
m
4С В. У
К I ~
2B.
exp
С точностью до главных членов разложения характерное
время диффузионного процесса представимо в этом случае в
виде
305
т_ « «x>JF + В)/{\2ВЛ ).
При больших скоростях обтекания отдельности внешним
потоком реагента B?. -* «>) имеем с учетом (9.21)
2A + 2,4rM/rK)/A2m0?>m).
Из последнего выражения при D =» 10~9 м2/с, т0 - 0,1% и
г « г получаем, что характерное время диффузионного выноса
металла из порового пространства отдельности размером <х>~
-0,1 м составляет ~109 с (около 30 лет). Это существенно
превышает время извлечения полезного компонента за счет
конвективного процесса
т * ^~ « 107 с,
к а
п
что совпадает с реальными временами выщелачивания из куска
124, 62].
Последнее служит дополнительным подтверждением право-
правомерности использования зависимости (9.18) для оценки коли-
количества металла, выщелачиваемого со временем из микропорового
пространства.
9.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Прежде чем приступить к установлению выходных параметров
процесса выщелачивания определим количество металла, выще-
выщелачиваемого со временем с поверхности отдельностей. В отли-
отличие от движения в микротрещинном пространстве движение
раствора в трещинном пространстве характеризуется сущест-
существенно большей физической скоростью. Последнее приводит к
перемещению потока рабочего раствора в поперечном направ-
направлении, чему способствуют также многочисленные искривления
траектории потока при обтекании отдельностей. В соответствии
с этим будем характеризовать концентрацию ионов металла в
рабочем растворе средней по ширине трещины величиной
<C>(z), где 2 - расстояние от подошвы отрабатываемого
блока.
Для описания динамических характеристик выщелачивания
воспользуемся наиболее приемлемым для нашего случая законом
Фика
I, - -D gradC ,
который представим в виде конечноразностного соотношения
(9.25)
'ф - -(<Хт> - C0>/Rm>
306
R
m - kxxlDm - коэффициент диффузионного сопротивления;
- эффективная толщина пристеночного слоя жидкости.
В -предположении, что выщелачивание металла происходит
одновременно по всей высоте отрабатываемого блока (фронт
выщелоченного материала еще не образовался), получаем с
учетом (9.25) уравнение для определения неизвестной функции
?
m
d<C
~dt
т
e я
*
Переходя в
z, получаем
уравнении к независимой переменной
d<C
m
dz
4
* Ф
Искомая функция <С >(z) в этом случае имеет вид
<Cm>(z)
- ехр
4(Я - z)
* ф m
где Ыф » Уф/m - физическая скорость движения рабочего тела в
пространстве между отдельностями.
Концентрация ионов металла в выходящем из трещинного
пространства растворе, как это следует из последней
зависимости, равна
<С
- ехр
ф т
отсюда получаем массовое количество металла в единице объема
раствдра, выходящего из трещинного пространства:
ет
Мек
1 - ехр
ф m
(9.26)
где величина Ма определена соотношением (9,9).
Написанное равенство определяет массовое i
талла Мт@, поступающее в накопитель с noBej
ноете и, в виде
ю ме-
отдель-
MAt)
(9.27)
24\XN2H
где #2 - количество систем проницаемых трещин.
Полученное выражение для МАО справедливо для времени
307
t < иУ где U - момент образования фронта выщелоченной
руды. Поскольку фронт полного выщелачивания распространяется
по среде со скоростью щ, легко определить величину Мет для
t > гь+ С использованием (9.26) получаем
ет
ехр
Я - ил, ( t - Г»)
* ф m
/4
t > U.
(9.28)
Параметр
U определяем, задаваясь размером ме-
дения йм. Учитывая, что с единицы
я при z *= Н уносится CJtlR ионов
а масса металла на единице п
величину 2olj>J> /3, получаем
t
в
(9.29)
им
нчатель
можно записать
фМекVtlH)
МАО
t
, 0 < t < t,
1 - ехр
ф m
/4
где величины М« и
(9.9) и (9.29).
Общее коли*
определены
выражениями
[еталла, расположенное на
величину
М,
то
При
для плс
- 1/п)
[оследне
исимости ис
ельностей в
S
t
(9.30)
где
параметр распределения Розина - Рам-
Полност:
ельносте
> процесс выщелачи
происходит за время
t
Ооо
24A - 3 )п
р м
A - S)
то
Суммарное количество металла
моменту времени ty с учетом пр<
из
юченное из блока к
юго раствора, посту-
и микропорового про-
:оставл.
308
Рис. 9.3. Зависимость степени извлечения
меди от времени:
1 - установка подземного выщелачивания на
руднике Сан-Доминго; 2 .- расчет по модели
М(Х)
ЛГ„О) + МТ(Й.
(9.31)
Применим полученную расчетную модель для описания про-
процесса подземного выщелачивания меди в условиях, близких к
условиям промышленного выщелачивания этого же металла на
руднике Сан-Доминго (Португалия) [24]. Расчетная и экспе-
экспериментальная зависимости представлены совместно на рис. 9.3
(Mo - PoOmF - общее количество металла в блоке). Оценки
проводились при а
м
7,5-Ю-3;
ц - 10 кг/м-с; <х>
¦
р
0,05;
2800 кг/м3;
0,1 м; LPIH
10
кг/м2-с2;
R
3- 10s с/м; Ъ
10-3 м; S - 0,9;
0,5.
т
Вклад каждого члена соотношения (9.31) определяется в
соответствии с временными интервалами, характерными для
каждого из трех процессов: . выщелачивания с поверхности
отдельностей, поверхности микротрещин и микропорового про-
пространства.
Сравнение расчетной и экспериментальной кривых на
рис. 9.3 демонстрирует возможность использования разрабо-
разработанной расчетной модели для оценки основных параметров под-
подземного выщелачивания металлов без привлечения дополни-
дополнительных эмпирических параметров.
9.5. ИНЖЕНЕРНАЯ ОЦЕНКА ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Рассматривая стадию вымывания раствора из отрабатываемого
блока/ будем представлять проницаемое пространство рудной
массы в виде совокупности промежутков между отдельностями
(трещинное приближение) и микропорового пространства- собст-
собственно горной породы, которое будем описывать в дальнейшем с
помощью капиллярной модели (радиус капилляра - гк). Скорость
309
выщелачивания металла, расположенного на поверхности
отдельностей и в объеме, определится количественными харак-
характеристиками течения рабочего тела соответственно в трещинном
и микропоровом пространствах.
Массовое количество металла, выщелачиваемого с поверх-
поверхности отдельностей, составляет
М =
?
Ц pjx S1/<6>/<6
т 3 г0 м V м м
где Sv - общая площадь поверхности отдельностей в объеме У;
угловыми скобками отмечены средние значения заключенных в
них величин.
С учетом (9.30) получаем
Мг - 16роа„<Й>УГ<1 - 1/л) ГA + l/n)/3<xxbl>. (9.32)
Относительное количество металла, содержащегося в объеме
породы, составляет
М и
— »1 - ~ = Ы6роам<Й> VTd-1/я) ГA+1/п)/3<хХ^>. (9.33)
О о
Химически активное рабочее тело, контактируя с металл-
металлсодержащими включениями, насыщается металлом до концентра-
концентрации, определяемой временем контакта (при фиксированной
концентрации реагента в растворе, его активности, а также
конкретной величине растворимости минералов).
Если максимально достижимая концентрация металла в про-
продуктивном растворе составляет С (кг/м3), то времена полного
выщелачивания включений, расположенных на поверхности
отдельностей и в объеме, равны соответственно
= Mv/(C0g2), (9.34)
где q\ и дг - соответственно расход раствора в трещинном и
микропоровом пространствах подготовленного блока,
В случае безнапорного режима фильтрации путем несложных
вычислений получаем величины расходов в виде
q. « pgelXV/B4ixH)
nil - rn)pg V>rK
(9 35)
где Н - высота блока; Гк - коэффициент извилистости индиви-
индивидуального капилляра; т - пористость массива.
Поскольку расход рабочего тела пропорционален проницае-
проницаемости, а проницаемость разрушенного массива ki превышает
проницаемость собственно горной породы ?„, получаем: д%
и, следовательно, общее время выщелачивания определяется
выличиной т2.
310
На основании последней оценки с учетом (9.33)-(9.35) по
лучаем относительное количество извлекаемого металла
+ Ал)*, t < ть
AHi/<x> + Ал*, Ti < t < х2,
эде константы
Ал - PgCoel/B4pQ)<x>at4iH9
(9.36)
И1
Ал -
определяются конкретными характеристиками рабочего тела и
подготовленной к выщелачиванию горной массы.
Общее время выщелачивания составляет
т2 -
1 -
- 1/д)ГA + 1/и)
з<х><ь1>
A - m)pgCo]<ri>N*.
Выражая NK через кПу получаем окончательно
1 -
J
[A - m)pgC&A.
Основной интерес с практической точки зрения представляет
временной интервал Ti < t < т2, когда процесс выщелачивания
б
р р , р
приближается к окончанию и важно иметь оценку выхода метал-
металла. Из зависимости (9.36) при t > Ti следует, что общее
количество извлекаемого к моменту времени t полезного ком-
компонента определяется величинами <х> и г, а именно: чем выше
степень дробления породы, тем больший выход металла на-
наблюдается за фиксированный промежуток времени.
Одновременно с этим уменьшение среднего размера отдель-
отдельности приводит к увеличению проницаемости рудной массы, а
следовательно, увеличению потока рабочего тела в трещинном
пространстве. Казалось бы, это должно положительно сказы-
сказываться на результат выщелачивания. Однако увеличение про-
проницаемости трещинного пространства ведет к уменьшению его
наполненности рабочим телом, что затрудняет проникновение
растворителя в глубь куска.
Увеличение к\ ведет к непроизводительным потерям рабочего
раствора, так как не вступившие в реакцию активные ионы
реагента (вследствие уменьшения времени контакта реагента с
породой) нейтрализуются при извлечении металла из раствора и
последний таким образом большей частью не регенерируется.
311
Из этого следует, что при подземном выщелачивании необ-
необходимо организовывать фильтрацию раствора так, чтобы при
максимально достижимом гидравлическом сопротивлении в про-
промежутках между отдельностями снизить поток в легко-
легкопроницаемом трещинном пространстве. Это позволит сблизить
времена Xi и х2. На практике к сближению Xi и х2 можно
только стремиться, снижая общую (высокую) проницаемость
рудной массы (в экономически обоснованных пределах) и уве-
увеличивая максимальным образом приницаемость микроканалов'.
Этого можно добиться, например, раскрывая микротрещины при
достаточно крупных плотноуложенных в массиве кусках породы,
либо путем увеличения степени дробления массива на стадии
подготовки, что увеличивает роль трещинного пространства при
выщелачивании. Последний путь с практической точки зрения
представляется предпочтительным. Потери рабочего тела в
случае интенсивного предварительного дробления породы можно
уменьшить путем соответствующего подбора концентрации хи-
химически активного реагента в растворе, соотнося ее со вре-
временем фильтрации раствора по блоку.
Помимо сказанного увеличение степени дробления породы,
приводящее к увеличению проницаемости рудной массы в целом,
ускоряет обменные процессы в зонах контакта рабочего тела с
породой вследствие возможного турбулентного перемешивания.
Легко оценить, каков должен быть дополнительный напор А.
для достижения в проницаемом пространстве турбулентного
движения растворителя. Минимальная физическая скорость те-
течения в трещине для обеспечения турбулентного перемешивания
составляет величину
и. я 2/iRe,/(pe#),
где Re* я 500 - критическое число Рейнольдса для щели.
С учетом последнего соотношения получаем
отсюда
и, следовательно,
#?i - pg)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований свидетельствуют о принципиальной
возможности использования крупномасштабного взрыва на стадии
геотехнической подготовки породных массивов.
Одной из основных задач в этом плане следует рассматри-
рассматривать установление степени нарушенное™ породного массива и
слагающих его пород в ближней зоне взрыва. Внимание необхо-
мо уделять влиянию взрывного воздействия на структуру вновь
образованного и подготовленного проницаемых пространств в
различных по строению и вещественному составу горных породах.
Определение нарушенное™ и способов достижения требуемых
структурных характеристик среды при взрыве тесно связано с
установлением ее поведения в процессе интенсивного нагру-
жения и деформирования. В свою очередь обстоятельное рас-
рассмотрение сложных динамических процессов, протекающих в
твердой среде при взрыве, невозможно без установления зако-
закономерностей поведения материала среды в условиях сложного
напряженно-деформированного состояния. Последнее ведет к
углублению и совершенствованию имеющихся представлений о
влиянии скорости деформирования и вида напряженного состоя-
состояния на свойства горных пород, поиска обобщающих формулировок
предельного и запредельного состояний материала.
Другая не менее важная задача - повышение надежности
прогнозирования его разрушающего действия, а также разра-
разработка способов управления степенью и равномерностью дробле-
дробления породы при взрывном воздействии. Здесь важную роль долж-
должны сыграть исследования, направленные на дальнейшее совер-
совершенствование имеющихся и разработку новых, более прогрес-
прогрессивных методов обследования породных массивов, позволяющих в
короткие сроки и с малыми затратами устанавливать начальные
характеристики, горного массива и степень его подготовлен-
подготовленности к-выщелачиванию' в результате взрыва. Важным направле-
направлением исследований в этой области может явиться изучение
фильтрационных характеристик разрушенных породных массивов и
установление на их основе структурных параметров. Возмож-
Возможность получения данных по проницаемости породного массива с
помощью проведения нетрудоемких измерений на отдельных его
участках делает метод фильтрационных испытаний высокоэконо-
высокоэкономичным и удобным при применении в производственных ус-
условиях.
Совершенствование технологических принципов извлечения
полезного компонента из недр требует развития способов раз-
разработки с минимально возможным объемом горноподготовительных
и других работ. Представляется весьма перспективным примене-
применение для орошения рудной массы высоконапорных скважин, прой-
пройденных с поверхности в зону разрушения подземного взрыва.
313
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адушкин В.В.у Каазик П.В. Расчет выхода газообразных продуктов
подземного взрыва в атмосферу. - Журнал прикладной механики и техниче-
технической физики, 1976, № 1, с. 111-120.
2. Лдушкин B.B*t Спивак А. Л. Утечка газообразных продуктов при гео-
геотехнической подготовке горных массивов крупномасштабным взрывом.
ФТПРПИ, 1983, N* 6, с. 35-41.
3. Лдушкин В.В., Спивак А.А. Необратимые проявления крупномасш-
крупномасштабного подземного взрыва в неоднородной среде. - М.: ИФЗ АН СССР, 1989.
4. Лдушкин В.В., Спивак А.А. Особенности деформирования блочной
среды при взрыве. - ФТПРПИ, 1990, № 2, с. 46-52.
5. Адушкин В.В., Спивак А.А. О возможности контроля за проведением
подземных ядерных взрывов по остаточным сейсмическим проявлениям. - Фи-
Физика Земли, 1990, № 12, с. 15-20.
6. Адушкин В.В., Спивак А.А. Афтершоки подземных взрывов. - Изд.
ИДГАН, 1991.
7. Аксельруд Г.А. Теория диффузионного извлечения веществ из по-
пористых тел. Львов, Львовский политехнический институт, 1959.
8. Алексеенко В.Д. Экспериментальное исследование распределения
энергии при контактном взрыве. - Физика горения и взрыва, 1967, № 1,
с. 152-155.
9. Аппаратура и система наблюдений для оценки сейсмических условий
в районах подземных хранилищ промстоков/ А.В. Николаев, И.П. Башилов,
В.М. Курочкин и др. - Сейсмические приборы, 1988, вып. 20, с. 62-67.
10. Бартлет Р.В. Кинетическая модель блочного выщелачивания дроб-
дробленой порфировой медной руды, основанная на сочетании диффузии в порах и
растворения халькопирита. - В кн.: Гидрометаллургия. - М.: Металлургия,
1978, с. 174-196.
11. Бронников Д.М., Спивак А.А. Некоторые вопросы управляемого дроб-
дробления горных пород взрывом. - ФТПРПИ, 1981, № 4, с. 55-61.
12. Бронников ДМ., Спивак А.А. Перспективы и возможности примене-
применения крупномасштабных взрывов в геотехнологии. - ФТПРПИ, 1983, № 1,
с. 36-42.
13. Введенская А.В. Сейсмодинамика. М., Наука, 1984.
14. Влияние условий взрывания на эффективность разрушения горных
пород/ Корпев Г.Я., Кривошта ВМ.> Подозерский ДС. и др. - Л.: Нау-
Наука, 1979.
15. Гидрогеологические эффекты при крупномасштабных подземных взры-
взрывах/ В.В. Адушкин, А.А. Спивак, Э.М. Горбунова. - М., ИФЗ АН СССР,
1990, 40 с.
16. Губкин КЕ. О подобии взрывов. - Известия АН СССР, Физика Зем-
Земли, 1978, № 10, с. 49-60.
17. Гудман Р. Механика скальных пород. - М.: Стройиздат, 1987.
18. Гупта X., Растоги Б. Плотины и землетрясения. - М.: Мир, 1979.
19. Движение структурных блоков массива горных пород при динами-
динамическом воздействии/ В.В. Адушкин, А.А. Спивак, В.В. Гарно в, В.Г. Спун-
гин. - В кн.: Взрывное дело № 90/47. - М.: Недра, 1990, с. 25-30.
20. Джонсон Г.В., Хаггинс Г.Х., Вайолет К.И. Подземные ядерные взры-
взрывы. - В кн.: Подземные ядерные взрывы. - М.: Иностранная литература,
1962, с. 11-35.
21. Динамика теплообмена газов в подземной полости/ Е.Г. Басанскйй,
Н.А. Кудряшов, А.Л. Моисеев, В.И. Некрасов. - Физика горения и взрыва,
1983, № 1, с. 135-141.
22. Добыча урана методом подземного выщелачивания/ В.А. Мамилов,
РЛ1. Петров, Г.Р. Шушания и др. - М.: Атомиздат, 1980.
314
23. Именитое В.Р., Евтропов Н.А., Баранов А.О. Вопросы использова-
использования ядерных взрывов при подземной добыче руд. - Горный журнал, 1973
№ 2, с. 33-36.
24. Калабин А.И. /Добыча полезных ископаемых подземным выщелачива-
выщелачиванием и другими геотехнологическими методами. - М.: Атомиздат, 1981.
25. Касахара К. Механика землетрясений. - М.: Мир, 1985.
26. Коайча Я. Газы в подземных водах.
27. Крикорьян О.Х. Коррозия и на кипе образование на геотермальных
электростанциях при стимулировании месторождения с помощью ядерного
взрыва. - В кн.: Геотермальная энергия. М.: Мир, 1975, с. 320-339.
28. Кузнецов В.М. Математические модели взрывного дела. - Новоси-
Новосибирск, Наука, 1977.
29. Кузнецов В.М. Термодинамические функции и ударные адиабаты воз-
воздуха при высоких температурах. - М.: Машиностроение, 1965.
30. Кузнецов В.М., Шведов КК Изэнтропическое расширение продуктов
детонации гексогена. - Физика горения и взрыва. 1967, № 2, с. 203-210.
31. Курленя М.В., Опарин ВМ. Некоторые особенности реакции горных
пород на взрывные воздействия в ближней зоне. - ИГД СО АН СССР, 1984.
32. Лунев Л.И., Рудаков И.Е. Подземные системы выщелачивания ме-
металлов. - М.: МГРИ, 1979. - 86 с.
33. Любушин А.А. (мл). Иерархическая модель сейсмического про-
процесса - Изв. АН СССР. Физика Земли, 1987, № 11, с. 43-52.
34. Мангушев КИ.> Приходьков И.К Применение ядерных взрывов в
нефтяной и газовой промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ, 1968.
35. Механика подземного взрыва/ В.В. Адушкин, В.Н. Костюченко,
В.Н. Никольский, В.М. Цветков. - В кн.: Механика твердых деформируемых
тел. - М.: ВИНИТИ, 1973, с. 87-197.
36. Механический эффект подземного взрыва/ В.Н. Родионов, В.В. Адуш-
Адушкин, В.Н. Костюченко и др. - М.: Недра, 1971.
37. Морозов И.Ф. Математические вопросы теории трещин. - М., Нау-
Наука, 1984.
38. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Интенсификация подземного выщела-
выщелачивания скальных руд взрывом жидкого ВВ. - Горный журнал, 1973,
№ 10, с. 38-39.
39. Иикифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твер-
твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1979.
40. Николис Г., Пригожий И. Самоорганизация в неравновесных систе-
системах. - М.: Мир, 1979.
41. О некоторых особенностях реакции горных пород на динамические
воздействия в ближней зоне/ М.В. Курленя, В.Н. Опарин, А.Ф. Ревуженко,
Е.И. Шемякин. - ДАН СССР, 1987, т. 293, № 1.
42. О поведении среды в зоне разрушения при камуфлетном взрыве /
/ В.Н, Родионов, И.А. Сизов, А.А. Спивак, В.М. Цветков. - В кн.: Взрывное
дело № 76/33. - М.: Недра, 1976, с. 24-29.
43. О спектрально-временном анализе колебаний/ А.В. Ландер, А.Л.
Левшин, В.Ф. Писаренко и др. - В сб.: Вычислительные и статистические
методы интерпретации сейсмических данных. Вычислительная сейсмология.
Вып. 6. - М.: Наука, 1973, с. 16-25.
44. Особенности выпуска руды из блока, подготовленного ядерным
взрывом/ В.В. Гущин, В.А. Антоненко, А.К. Розенталь, А.С. Годунов. -
Труды ГИГХС, вып. 36. - М.: ГОСИНТИ, 1975, с. 48-57.
45. Остин К.Ф., Леонард ГУ. Стимулирование геотермальных скважин С
помощью химических взрывов. - В кн.: Геотермальная энергия. - М.:
1975, с. 276-298. о
46. Павлов М.М.у Судаков Д.Л.Измерение поля массовых скоростей *i
взрыве цилиндрического заряда в прессованном NaCI. - В кн.: Взрывное дедо
№ 76/33. M.t Недра, 3976, с. 65-74. . ::-:v
Ull
47. Панин В.Е., Лихачев А.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни де-
>мации твердых тел. Новосибирск, Наука, 1985.
48. Пасечник И.В. Характеристика сейсмических волн при ядерных взры-
взрывах и землетрясениях. - М.: Наука, 1970.
49. Родионов В.Н., Цветков В.М. Некоторые результаты наблюдений при
подземных ядерных взрывах. - Атомная энергия, 1971, вып. 1, с. 31-36.
50. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. -
М.: Недра, 1986, 301 с.
51. Родин Г. Сейсмология ядерных взрывов. М., Мир, 1974.
52. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных по-
пород. - М.: Недра, 1975.
53. Рыбин В,В., Зисман А. А. Внутренние напряжения и повреждаемость
пластически деформируемых гетерогенных материалов. - В кн.: Физика и ме-
механика разрушения композиционных материалов. - Изд. Физико-технического
института им. А.Ф. Иоффе, 1986, с. 4-19.
54. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы. - Докл.
АН СССР, 1979, т. 247, N5 4, с. 929-931.
55. Садовский 'М.А. О распределении размеров твердых отдельностей. -
Докл. АН СССР, 1983, т. 269, № 1, с. 69-72.
56. Садовский М.А., Писаренко В.Ф., Штейнберг В.В. О зависимости
землетрясения от объема сейсмического очага. - ДАН СССР, т. 271, № 3,
1983, с. 598-602.
57. Садовский М.А, Сейсмика взрывов и сейсмология. - Физика Земли,
№11, 1987, с. 34-42.
58. Садовский М.А. О значении и смысле дискретности в геофизике. -
В сб.: Дискретные свойства геофизической среды. - М.: Наука, 1989,
с. 5-14. *
59. Садовский М.А., Адушкин В.В., Спивак А.А. О размере зон необра-
необратимого деформирования при взрыве в блочной среде. - Физика Земли, 1989,
№ 9, с. 9-15.
60. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механизме. - М.: Нау-
Наука, 1967.
61. Сизое И.А., Спивак А.А., Цветков В.М. Поведение среды в зоне
разрушения при взрыве заряда ВВ. - ФГВ, 1974, № 3, с. 437-440.
62. Состояние и тенденции развития кучного и подземного выщелачи-
выщелачивания медных руд за рубежом/ Г.Г. Кириченко, А.С. Вильнянский, М.К. Пи-
Пименов, И.В. Васильева. - М.: Цветметинформация, 1978, 51 с.
63. Спивак А\А. Волны сжатия в твердой среде при взрыве заряда ВВ в
воздушной полости. - ФГВ, 1973, № 2, с. 262-268.
64. Спивак А.А., Цветков В.М. О взрыве в твердой среде типа горной
породы. - ФТПРПИ, 1973, № 5, с. 37-42.
65. Сырников Н.М., Тряпицын В.М. О механизме техногенного землетря-
землетрясения в Хибинах. - ДАН СССР, 1990, т. 314, № 4, с. 830-833.
66. Физика взрыва (Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др. -
М.: Наука, 1975.
67. Химическое и бактериальное выщелачивание медно-никелевых руд /
/ Э.А. Головко, А.К. Розенталь, В.А. С ид ельников, В.М. Суходрев. - Л.:
Наука, 1978.
68. Цветков В.М., Сизов И.А., Поликарпов А.Д. О поведении хрупко-
разрушаемой среды при камуфлетном взрыве. - Физико-технические проблемы
разработки полезных ископаемых, 1977, № 4, с. 36-42.
69. Цветков В.М,, Сизов И.А., Сырников Н.М. О механизме разрушения
хрупкой среды при камуфлетном взрыве. - Физико-технические проблемы раз-
разработки полезных ископаемых, 1977, № 6, с. 48-56.
70. Шейдеггер A3. Физика течения жидкостей через пористые среды. -
М.: Гостоптехиздат, 1960.
71. Шейдеггер А.Е. Основы геодинамики. - М.: Недра, 1987.
316
72. Anderson B.D. A simple technique to determin the size distribu-
distribution of nuclear crater fallback and efecta. - Proc. Symp. Eng. Nucl.
Explos., Las Vegas, Nev., 1970, p. 1726-1745.
73. Archer C.A, Allen NJ. A cataloque of earthquakes in the lake
Kariba area, 1959-1968. - Meteorological Services, Salisbary, 1969.
74. Beers R.F. Project Shoal. Analysis of Shoal data on ground mo-
motion and containment. Iivermore: U.S. Atomic Energycomm., 1965. - 42 p.
75. Boardman Ch.R. Engineering effects of underground nuclear
explosions. - Proc. Symp. Eng. Nucl. Explos., Las Vegas, Nev., 1970,
p. 43-67.
76. Growley S.K, Germain L.S. Energy released in the Benham after-
aftershocks. - Bull. Seism. Soc. Am., v. 61. No 5, 1971, p. 1293-1301.
77. Davidsbn D.H. In-situ leaching of nonferrous metals. - Mining
Congress J., 1980, No 7, p. 52-54, 57.
78. Derlich S. Underground nuclear explosion effects in granite
rock fracturing. - Proc. Symp. Eng . Nucl. Explos., Las Vegas, Nev.,
1970, p. 505-518.
79. Dickey D.D., Me TCeown F.A., Bucknam R.C. Preliminary results of
ground deformation measurements near the Cannikin explosion. - Bull.
Seism. Soc. Amer., 1972, v. 62, No 6, p. 1505-1518.
80. Duncan J.M., Witherspoon P.A, Mitchell J.K et al. Seepage and
groundwater effects associated with explosive cratering. Berkley: Depart
Civil. Eng. Inst. Univ. of California, 1972. - 126 p.
81. Gough D.I., Gouch W.I. Load-induced earthquakes at lake Kari-
Kariba. - Geophys. J., 1970, v. 21, p. 79-101.
82. Hansen S.M., Lager A.R. How to make are from marginal deposi-
ties. - Bng. and Mining J., 1968, No 12, p. 75-81. ;
83. Heckman R.A. Deposition of thermal energy by nuclear explosi-
explosives. - Proc. 3rd Plowshare Symp. Eng. Nucl. Explos.: U.S. Atom. Energy
Comm., 1964, p. 289-303.
84. Kennecott sets sights on nuclear test for in-situ
copper. - Eng. and Mining J.' 1967, No 11, p. 116-121.
85. Kennedy E.M., Miller C.E. Underground nuclear
Washington: U.S. Congress, Office of Technology Assessment, 1989, p. 82.
86. Mogi JC Some diseussions on aftershocks foreshocks and earth-
guake swarms - the fracture of a semi-infinite body caused by an inner
stress oridin and its relation the earthguake phenomena. - Bull. Earth-
guake Res. Inst, 1963, v. 41, p. 615-658.
87. Olsen E.W. Time history of the cavity pressure and temperature
following a nuclear detonation in alluvium . - J. Geoph. Res., 1967,
No 20, p. 5037-5041.
88. Rabb D. Particle-size distribution study: Piledriver event. -
Proc. Symp. Eng. Nucl. Explos., Las Vegas, Nev., 1970, p. 888-909.
89. 'Rodionov V.V., Spivak A.A., Tsvetkov VM. Investigation of the
filtration prorerties of a rock massif. - Peaceful nuclear explosions.
Vienna: International Energy Agency. 1978, p. 45-54.
90. Rosenbaum /.A, McKinney W.A. In-situ
eulfide ore bodies following nuclear fracturing.
Explos., Las Vegas , Nev., 1970, p. 877-888.
91. Short N.M. Effects of shock pressure
on optical and mechanical properties of granodiorite.
Uvermore, California: Lawrence Radiat. Lab., 1964, p. 26.
92. Utsu X. A statistical study on the occurence of aftershocks.
Mag.i 1961, v. 30, No 4, p. 523-605.
recovery of
explosions. -
recovery of copper from
- Proc. Symp. Eng.
from
a nuclear explosion
Report UCRL-7949.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение з
5
1. Результаты модельных исследований деформирования твердой среды
при изменении условий взрыва .
Х.1. Основные закономерности движения среды при камуфлетном взрыве 5
1.2. Влияние свободной поверхности на взрывное деформирование среды 16
1.3. Деформирование твердой среды при взрыве в воздушной полости 25
1.4. Влияние начальной плотности энергии во взрывном источнике на
деформирование среды • 32
1.5. Параметры взрывного воздействия в зоне квазиупругого поведения
материала среды ; 36
г
2. Соотношения подобия при подземном взрыве ....... 41
2.1. Моделирование как метод исследования 41
2.2. Особенности моделирования сложных и составных процессов .... 43
2.3. Общие соотношения подобия при подземном взрыве
2.4. Основные энергетические соотношения при взрыве в твердой среде
2.5. Подобие движения твердой среды при изменении условий взрывания 47
заряда . ***
3. Механические эффекты подземного взрыва в зоне необратимого де-
деформирования среды 56
3.1. Оценка размеров зоны разрушения по параметрам движения среды 56
3.2. О применимости упругой модели среды при анализе взрыва; . . , .
3.3. Термодинамические характеристики твердой среды в ближней зоне
3.4. Влияние некоторых характеристик взрыва на гранулометрический
состав разрушенной среды 70
3.5. О влиянии горного давления на характер разрушения твердой сре-
среды взрывом
3.6. Взрыв в уплотняющейся среде 86
3.7. Взрыв цилиндрического заряда переменной длины 94
4. Влияние подземного взрыва на фильтрационные и гидрогеологические
характеристики среды 401
4.1. Сгруктурные и фильтрационные характеристики нарушенное™ гор-
горных пород в массиве 101
4.2. Методика определения фильтрационных свойств породного массива,
разрушенного крупномасштабным взрывом 105
4.3. Изменение фильтрационных свойств породного массива в результа1
те подземного взрыва
4.4. Влияние взрывного воздействия на проницаемость горной породы
4.5. Оценка нарушенное™ массива горных пород по результатам фильт-
фильтрационных испытаний . 118
4.6. Особенности изменения уровня подземных вод при взрыве ..... 126
5. Особенности деформирования и разрушения при подземном взрыве в
среде с искусственными и естественными не однородности ми . 146
5.1. Деформирование твердой среды при экранировании взрывного ис-
источника незаполненной щелью
5.2. Разрушающее действие подземного взрыва в присутствии щелевого
318
I *
#¦•••#•••¦#
5.3. Закономерности деформирования и разрушения среды при выходе -
взрывного возмущения на свободную поверхность
5.4. Модель динамического разрушения твердой среды с распределен-
распределенными дефектами 167
5.5. Основные представления о деформировании блочных сред 174
5.6. Влияние начальной пустотности твердой среды на разрушающее
действие взрыва 179
6. Влияние структурно-тектонического строения среды на механические
эффекты подземного взрыва. 184
6.1. Оценка характеристик структурных нарушений на основе сейсмо-
профилирования 184
6.2. Несогласованное формоизменение структурных блоков при взрывных
воздействиях 197
6.3. Особенности деформирования структурных блоков среды при под-
подземном взрыве 205
6.4. Расчетная модель взрывного деформирования блочной твердой сре-
среды ..... . .211
6.5. О размере зоны разрушения при подземном взрыве в структурно
неоднородной среде 219
7. Релаксационные процессы, вызванные подземным взрывом в блочной
среде 226
7.1. Методика сейсмического мониторинга локальных участков земной
228
7.2. Характеристика афтершоков подземного взрыва как сейсмических
событий
7.3. Оценка релаксирующих напряжений в блочной среде 246
7.4. О возможности контроля за проведением подземных ядерных взры-
взрывов по остаточным сейсмическим проявлениям 248
I
& Некоторые аспекты применения крупномасштабных подземных взрывов
при геотехнической подготовке породных массивов 253
8.1. Цели и задачи подготовки породного массива к выщелачиванию . . . 253
8.2. Утечка газообразных продуктов при геотехнической подготовке
породного массива крупномасштабным взрывом 255
8.3. Особенности сейсмического действия подземных взрывов 264
8.4. Применение крупномасштабных взрывов при геотехнической подго-
подготовке породных массивов , .
9. Гидродинамические особенности подземного выщелачивания руд, от-
отбитых крупномасштабным подземным взрывом 294
9.1. Основные представления о механизме выщелачивания горной массы 294
9.2. Выщелачивание металла с поверхности микротрещин 297
9.3. Динамика извлечения полезного компонента из микропорового
пространства 300
9.4. Определение выходных параметров процесса выщелачивания. .... 306
9.5. Инженерная оценка временных параметров процесса подземного вы-
выщелачивания . 309
Заключение •
Список литературы • 314