ВВЕДЕНИЕ

Значительные механические напряжения, достигаемые в среде при подземных взрывах, вызывают ряд явлений, каждое из 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 особенностей строения реальной геофизической среды. Структурную неоднородность следует рассматривать в качестве одной из наиболее важных характеристик массивов горных пород, определяющих основные особенности их деформирования при внешних динамических возмущениях. Неоднородность, провляющаяся в виде естественных структурных нарушений и зон ослабления прочности (тектонические разломы, линеаменты, трещины разного уровня, слоистость и т.п.), помимо геометрических характеристик структурного строения (размер и форма блоков) определяет деформационные, прочностные и фильтрационные свойства массивов горных пород, которые играют важную роль в 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 неодногюдностью в широком диапазоне характерных размеров: от 10 8 м (дефекты кристаллической решетки породообразующих минералов) до 106 м (протяженность наиболее крупных тектонических разрывов) [551. 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 результате внешних динамических воздействий. Действительно, пространственно средняя деформация среды складывается в этом случае из деформации горной породы (блоки) и деформации материала -заполнителя промежутков. Поскольку заполнитель, как правило, представляет собой легко деформируемый, менее прочный (по сравнению с горной породой) материал, деформирование блочной среды осуществляется преимущественно по поверхностям и зонам ослабления.

Касаясь исследования действий подземного взрыва на зическую среду, следует отметить два аспекта: первый -

ходимость изучения механических последствий взрыва, что имеет непреходящее оборонное и народнохозяйственное значение, и второй - возможность изучения поведения (закономерностей де- формирования, релаксации и т.п.) структурно-неоднородной геофизической среды на разных масштабных уровнях, что может отчетливо проявиться именно при высокоэнергетических искусственных воздействиях.

Накопленшй к настоящему времени большой экспериментальный материал выявил недостаточность представлений, основанных на законах механики сплошной среды и лйнейной упругости, для описания процессов, связанных с деформированием реальных твердых сред. Основная особенность деформирования блочной среды, определяемая возможностью относительной подвижки блоков вдоль тектонических нарушений, не может быть описана на основе континуальных представлений. Действительно, наличие в породных массивах структурных неоднородностей значительно усложняет описание и прогнозирование последствий взрывного воздействия, приводит нередко к неожиданным эффектам, связанным с локальными разрушениями среды, причем на таких расстояниях от взрыва, тде 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 общего методического подхода к исследованию взрывных процессов в твердой среде. При этом необходимо, чтобы используемые методы исследований в совокупности позволяли составить некоторое законченное представление о характере развития процесса.

В настоящей работе рассматривается механическое действие подземного взрыва во всех его проявлениях.

Основные закономерности и последствия взрывного воздействия рассма亭нваются с точки зрения возможности прогнозирования особенностей деформирования реальной геофизической среды, ее разрушения на разных расстояниях от взрывного источника, изменения фильтрационных свойств, что важно как при оценке безопаснсхгги проведения крупномасштабных подземных взрывов, так и при обсхгновании. 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.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДОЙ СРВДЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УСЛОВИЙ ВЗРЫВА

1」.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ СРЕДЫ ПРИ КАМУФЛЕТНОМ ВЗРЫВЕ

Деформирование твердой среды при взрыве является одним из основных проявлений взрывного воздействия, следствием которого в свою очередь являются многочисленные механически не- обратимые изменения, происходящие в окрестности взрывного источника, такие как образование камуфлетной полости, 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 слабосвязанных средах является первостепенной задачей. Отличие подземного взрыва заключается в невозможности описания всех проявлений взрывного воздействия на основе только параметров деформирования среды. Изучение закономерностей движения среды имеет в этом случае самостоятельное значение только при установлении сейсмических характеристик взрывного 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 параметрами взрывного воздействия, которые необходимы при описании самых разных проявлений подземного взрыва, в том числе и разрушения взрываемой среды. К этому следует добавить, что знание закономерностей воздействия с учетом условий проведения взрыва в рамках единого представления на основе небольшого количества определяющих，параметров. Последнее значительно упрощает описааие и прогнозирование основных 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 глуотне (камуфлет- ный взрыв). В этом случае можно считать, что явление развивается в безграничной среде и при описании приемлемо сферически симметричное представление.

Быстрое расширение газообразных продуктов подземного взрыва приводит к образованию области нестационарного деформирования среды. Причем внешней границей указанной об-

ласти является фронт возмущения, распространяющийся по с^еде со скоростью, близкой к скорости звука в массиве (за исключением зоны, непосредственно примыкающей к полости, где скорость распространения возмущений определяется их инген- сивностью). Возникающее в среде напряженно-деформированное состояние имеет волновой характер и описывается параметрами волны сжатия. В результате многочисленных экспериментов установлено, мто эпюра массовой скорости на фиксированном расстоянии от места взрыва г (зависимость массовой скорости от времени) имеет форму, близкую к треугольной, и характеризуется тремя параметрами: временем нарастания массовой скорости до максимального значения 0, длительностью положительной фазы движения т (движение от центра взрывау и максимальной массовой скоростью в волне сжатия уь.

Геометрическое расхождение волнового движения и 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

Vo = 4("产),

где А и по - некеторые константы, отличающиеся для разных сред и зависящие, вообще говоря, от условий проведения взрыва; q - тротиловый эквивалент взрыва, кг; г - расстояний до места взрыва, м.

Ниже приведены значения констант Л и ло для некоторых горных пород [36, 51]. Следует отметить, что параметр 市 в отличие от коэффициента Л практически не зависит от типа горной породы.

Горнаяпорода ГранитСольТуф

4 Ю-138-103-4

^ 1,6-1,751,61,6

После прохождения взрывной волны сжатия частицы среды не

возвращаются в исходное положение, а занимают новое, отличающееся от первоначального на величину так называемого (^статочного смещения, обусловленного необратимостью деформирования среды в ближней зоне взрыва. Чтобы иметь представление о величине достигаемых при; взрыве остаточных смещений частиц среды Ж, на рис. 1.1 представлены зависимости %(г), полуденные в результате экспериментального исследования подземных ядерных взрывов "Шоутг” н "Хардхэт” [74]. '

В связи с тем, что основной целью взрывных работ в горно-

рис. L1* Зависимость приведенных остаточных перемещений в среде от приведенного расстояния：

2 - эксперименты “Хардхэт4，и “Шоул“

добывающей промышленности является разрушение массива пород, определенный интерес представляет рассмотрение всех параметров взрыва (в том числе и параметров движения среды) с точки зрения предсказания и установления характеристик, 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 воздействия в ближней к заряду зоне был привлечен лабораторный эксперимент, позволяющий в деталях рассмотреть явления, сопутствующие взрыву, а в некоторых случаях сделать качественные обобщения применительно к крупномасштабному взрыву.

Следует отметить, что изучение взрыва в реальной горной породе связано с многочисленными трудностями, возникающими в основном из-за необходимости размещения датчиков регистрирующей аппаратуры в образцах породы, и в связи с этим нарушением сплошности последних, что исключает применение микровзрывов в качестве источников возмущения. По этой причине реальные породы при моделировании используются редко. Чаще в качестве среды выбирается более или менее однородный материал, близкий по своим свойствам к естественным горным породам и удобный в обращении при постановке лабораторного эксперимента. В данном случае такими материалами явились канифоль, тиосульфат натрия и плексиглас. В экспериментах использовались сферические заряды из тэна массой от 1,7-10-4 до 2<6 • 10"3 кг (плотность ВВ 1500 кг/м^.

Результаты измерения показали, что область взрывного деформирования можно разбить на две самостоятельные, отличаю-

%；%///〃%；%///〃Рис. 1.2. Осциллограммы массовой скорости в йлижней (а) и дальней (б) зонах взрываРис. 1.2. Осциллограммы массовой скорости в йлижней (а) и дальней (б) зонах взрываРис. 1.3. Зависимость приведенной длительности положительной фазы движения (а) и времени нарастания волны (б) в тиосульфате (Д 2) и плексиглазе (3, 4) от приведенного расстояния при взрыве зарядов ВВ массой (кг)：

%；%///〃

%；%///〃

Рис. 1.2. Осциллограммы массовой скорости в йлижней (а) и дальней (б) зонах взрыва

Рис. 1.2. Осциллограммы массовой скорости в йлижней (а) и дальней (б) зонах взрыва

- 7,8-10'^ 2 - 1,7*10-* 3 - 470* 4 - 2,6'10-3

щиеся характером деформирования среды во времени: на рас- стояниях, меньших некоторого ，= К*, наблюдается движение среды только от центра взрыва (типичная осциллограмма массовой скорости, полученная в ближней к заряду области, приведена на рис. 1.2, а), на расстояниях г > R^ фаза движе- ния от центра сменяется фазой возвратного движения среды (рис. 1.2, б), причем амплитуда возвратного движения имеет тенденцию к увеличению с расстоянием до взрыва^ Радиус характерной области & составляет 11-13 радиусов заряда для тиосульфата натрия на 4-5 радиусоа заряда для плексигласа.

Полученные эпюры массовой скорости показывают, что ускорение частиц среды при разгоне вещества превосходит ускорение при торможении в 6-7 раз. Это хорошо видно из рис. 1.3, на котором представлены приведенные времена нарастания 9о ■ 6/勺1戶 (кривые б) и длительности положительной фазы движения т0 = PQ扭(кривые а) в зависимости от приведенного расстояния 力 » r/R^ где Ко - радиус заряда ВВ. Отметим, что длительность положительной фазы движения почти на порядок превосходит время нарастания.

Рис. 1.4. Зависимость максимальных массовых скоростей в тиосульфате (У, 2) и плексиглазе (3, 4) от приведенного расстояния (пунктирная линия -максимальные массовые скорости в канифоли)

Несмотря на то, что вблизи заряда существует область явного разрушения среды, на эпюрах массовых скородей не присутствует какой-либо признак происходящего в среде необратимого изменения, вызванного разрушением материала. Этот факт может служить указанием на то, что либо разрушение материала среды всхюще не нарушает сплошности движения, либо изменение параметров движения на фронте разрушения (если таковой четко выделяется) пренебрежимо мало.

В дальнейшем оудем обозначать: R - радиус "фронта” волны (координаты, в которых частицы среды обладают в данный мо-

мент времени скоростью 而，w(r) - максимальное перемещение частиц среды на расстоянии г от взрыва, % = r/R^ г* ■ &/&•

Обратимся к полученным результатам. На рис. L4 приведены изменения максимальных массовых скоростей в среде с расстоянием. Видно, что как для тиосульфата натрия, так и для плексигласа можно выделить две области, отличающиеся степенью затухания волны сжатия с расстоянием: вблизи заряда нА расстояниях 力 < 12,5 для первой среды и го > 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 движения< О предполагаемой физической основе существования границы 尸■ К будет сказано ниже.

Обработав экспериментальные данные； получаем следующие зависимости между максимальной массовой скоростью и расстоянием:

'6no при го > гф,

Уо ■ V(1.1)

* ЙоГГ при % > г#.

Значения констант 為,А, по н р приведены ниже.

Константа оодо«оР凡So

Тиосульфат 23007602Д61,710,231,88

Плексиглас 340012502Д41,570,171,57

Приведенные на рис. 1.4 результаты экспериментов показывают, что максимальные массовые скорости, полученные при взрыве разных по массе зарядов, в приведенных координатах ложатся на единую зависимость. Это в очередной раз подтверждает правомерность использования принципа 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 случае других сред при взрыве в канифоли на кривой мо(г) выделяются две сюласти по степени изменения массовой скорости с расстоянием. При этом следует отметить, что несмотря на значительное отличие механических характеристик используемых модельных сред максимальная массовая скорость, а также степень ее изменения с расстоянием в прилегающей к заряду области не сильно отличаются для всех трех сред. Что касается дальней зоны движения среды, то здесь степени затухания волны в разных средах заметно отличаются* Малая чувствительность амплитуды и степени затухания волны в ближней зоне

Рис. 15 Зависимость приведенного смещения частиц среды в волне сжапш со временем на относительных расстояниях г/Яо：

7 - 4: 2 - 6； 5 - 8； 4 - 10

взрыва к свойствам среды ограничивает возможности для использования характеристик взрывной^ движения в качестве 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 энергетических и интегральных характеристик разрушения материала среды знание параметров взрывного деформирования оказывается весьма полезным.

Волновое возмущение, распространяющееся по среде, приводит к смещению частиц среды относительно их первоначального положения. По эпюрам массовых скоростей легко определяется величина перемещения частиц среды 卜 каждой точке пространства со временем

〃(з)yds, о

гце з 』£ - г/с - время, отсчитываемое с момента приходд волны на рассматриваемое расстояние г; v - массовая скорость.

В качестве иллюстрации на рис. L5 представлены зависимости и(ш) для некоторых расстояний (тиосульфат натрия). Для времен з $ 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 максимальных ио и остаточных перемещений W в среде при взрыве. Поскольку в области г < А* в волне не наблюдается возвратно-

Рис. 1.6. Зависимость приведенных максимальных Q ” ') и о^аточиых (5) перемещении в среде при взрыве (обозначения см. рис* '⑶

го движения (точнее оно пренебрежимо мало [36]), вблизи заряда справедливо соотношение

При г > К* вследствие возникновения возвратно!^ движения среды остаточные перемещения меньше максимальных.

Максимальные перемещения в среде (м/кг173), йолученные численным интегрированием эпюр массовых скоростей, приведены на рис. 1.6 и описываются во всей области взрывною^) движения единой зависимостью ио/严=Fw埶

Pug 1.7. Зависимость массовой скорости от приведенного расстояния г/Ло：

j ・裂/网• S； 2 - ^3 - 11； 4 - 22; 5-27

Значения констант Л и So приведены на стр. 10.

Остаточные перемещения при взрыве W представлены на рис. 1.6 только для тиосульфата. Однако для обеих сред (тиосульфата натрия к плексигласа) справедливо соотношение Ж ■ u^r/R^~2\

Me 〃* - максимальное смещение границы г - К*.

Как уже отмечалось, на эпюрах массовых скоростей не наблюдается особенностей, связанных с началом разрушения материала среды. Другими словами: движение каждого фиксированного элемента среды во времени имеет гладкий характер. Однако из этого не следует, что разрушение не может проявляться на пространственных характеристиках взрывного движения. Поскольку вредряемый в среду датчик электромагнитной методики, вследствие своей значительной протяженности, фиксирует 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 фиксированном расстоянии г. Другой вид усреднения происходит при измерениях на натуре, когда вследствие малого количества редко расположенных датчиков мы не можем выделить дви*

жение конкретной отдельности^ хотя ясно, что каждый датчик пишет движение куска породы, на котором он закреплен.

В каждый фиксировашшй момент времени на основании эпюр массовых скоростей, полученных на различных расстояниях от взрыва, можно построить распределение массовой скорости за фронтом волны. Результаты такого построения представлены на рис. 1.7 (тиосульфат натрия), откуда видно, что на пространственных распределениях скоростей также не присутствует 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

Мг) - уь(Л)(г/Л)А(1.2)

Для R < 15Ао написанное соотношение справедливо во всей области движения среды. Показатель степени 偽 в этом случае близок к 1, 4. При 戍 > 15Ao по мере увеличения радиуса фронта волны показатель степени 自 в области, прилежащей к фронту, падает.

Потеря связности и образование блочной структуры в первоначально сплошной среде при взрывном разрушении неизбежно должны приводить к изменению плотности среды в результате взрыва. Н этом смысле представляет определенный интерес 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((а) на данном расстоянии от взрыва. Вследствие сохранения массы вещества имеем

р(5 - Р“ + ~f") [1 + 凱：

На рис. 1.8 приведена зависимость р/р0 Ap/例-1 от времени для некоторых расстояний г. Отметим, что максимальное уплотнение вещества при взрывном движении достигается при 3*8, т.е. в момент достижения максимальной массовой скорости. Затем плотность падает и к концу движения материал разуплотняется. Распределение конечной плотности с расстоянием от взрыва приведено на рис. 1.9, откуда видно, что практически во всей характерной зоне /• < R* среда после взрыва разуплотнена (с учетом того, что радиус образовавшейся полости составляет З&о), причем степень разуплотнения уменьшается по мере приближения к внешней границе г = &*

Распространение волны сжатия в среде неизбежно приводит к перетеканию энергии в пространстве. Изменение потока энергии

TrJOTrJO

TrJO

TrJO

Рис. l& Изменение плошосш среды * волне сжатия со временем на разных относительных расстояниях г/Ло от взрыв* у - "Ло - 6; 2 - 8; 3 - 10

Рис. 1.9. Изменение остаггочиой плотности среды от приведенного (мсстояния

по мере удаления от места взрыва отражает скорость геометрического расхождения волны (фактор 广九 а также скорость расходования энергии при диссипативных процессах в ближней зоне. Поток кинетической энергии волны сжатия через поверхность

характеризует затухание волны по кинетической энергии.

Величина q&, вычисленная по эпюрам массовых скоростей при условии р a const, приведена на рис. 1Л0 в отношении к полной энергии взрыва 瓦 и описывается для обеих сред - тиосульфата натрия и плексигласа - единой зависимостью

”/& - 40г-^ ・

Рис. 1.10« Поток кинетической энергии при взрыве в тиосульфате (7) и плексиглазе (2) в завися* мости от приведенного расстояния

ВЛИЯНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ВЗРЫВНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ СРВДЫ

Наличие свободной поверхности вблизи взрывного источника приводит к значительному усложнению анализа волнового движения при подземном взрыве. Волна разрежения, формируклцаяся при выходе волны сжатия на свободную поверхность, ведет к ослаблению волны, распространяющееся в глубь веды и является причиной возникновения поперечной составляющей движения в приповерхностной области. Таким образом при взрыве даже в однородной среде, но со свободной границей необходимо учитывать ццйовременво несферичность поля движения и наличие двух типов волн. Несмотря на это, при малозаглубленном взрыве удается выделить область, в которой свободная поверхность не оказывает иепо»)едственного влияния на геометрию деформирования среды шшзи фронта волны нагрузки. В случае приповерхностного взрыва указанная область ограничена боковой поверхностью конуса с верпшной в центре взрыва и углом при вершине к/2 (в предположении равенства скоростей распространения волн нагрузки и разхрузки). Наличие указанной области позволяет изучать волну сжатия, распространяющуюся в глубь среды независимо от процессов, происходящих в области непосредственного влияния свободной поверхности,

П(е осуществляется наложение поперечвшх) и радиального движений. Однако такой подход справедлив прж небольших за・ глумлениях заряда, кох^а кривая фронта разгрузи не скльио уличаете510T кривизны фронта нагрузки.

Наличие свободной поверхности существенно видоизменяет форму и основные параметры взрывного сигнала, распространяю* щеюся в глубь твердой среды, что в свою очередь веяэбежно сказывается на диссипативных процессах в самой волне сжатия. Следует отметить, что искусственное создание близко расположенной к заряду свободной поверхности в модельных экспериментах позволяет заметно изменять параметры взрывного источника и рассматривать распространение волн различной конфигурации (при пемлоянной начальной амплитуде нагрузки удается существенно изменить ее длительность). Помимо этого присутствие близкой к источнику взрыва свободной поверхности позволяет выяснить вопрос о влиянии ^сильной" простравст- венной неоднородности на параметры волнового движения, что важно знать при оценке влияния структурных неоднородностей в среде на средние характеристики взрывного движения.

Подробный теоретический анализ напряженно-деформщрван- ного состояния среды при точечном взрыве в присутствии свободной поверхности представлен в работе [39]. В 血стоящих ■сследованиях в целях установления влияния свободной поверхности на формирующееся в твердой среде взрывное возмущение проводился модельный эксперимент. Схема опыта представлена на рис. 1.1L Заряд ВВ располагался вблизи свободной поверхности на различном относительном удалении Л ■ h/RQ, где Л “ расстояние от центра взрыва до свободной поверхности.

обозначено расположение проаолочный датчик; 3 '-обозначено расположение проаолочный датчик; 3 '-Волна сжатия, распространяющаяся в глубь материала среды, регистрировалась в области, ограниченной конусом разгрузки. В качестве источников взрыва использовались сферические заряды из тэна за исключением случая накладного полусферического заряда S - -0,5), когца использовались половинки тех же зарядов.

обозначено расположение проаолочный датчик; 3 '-

обозначено расположение проаолочный датчик; 3 '-

*®®* I.U. Схема опыта:

二 * заряд ВВ (пунктиром 嗇?Me时g^)； 2 - ^■«одная поверхность

Рис. 1.12. Зависимость максимальных массовых скоростей от приведена расстояния в тосульфэте：

g, Ю'3 кг; 7, Л 5 - 0,78 (7J - 1; 0; -0,5); 2, £ 6 ・ 0,4 ⑺-1； -0,5); 7 - 2,6 (Т) - -0,5); пунктирной линией обозначена зависима №(「/尺0)для камуфлетного взрыва (7) f 8)

Эпюры массовых скоростей, полученные при малозаглубленн взрыве/ качественно не отличаются от эпюр, полученных и 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 ⑴一* 8).

Полученные экспериментально значения максимальной мае вой (м/с) скорости приведены на рис. L12 и 1ЛЗ для разд 18

АналитическиАналитическиполученные зависимостиполученные зависимости

Аналитически

Аналитически

полученные зависимости

полученные зависимости

рис. 1.13. Зависимость максимальных массовых скоростей в плексигласе от при*

веденного расстояния：

1 -刀■ 0； q ■ 0,78 • 10'3 кг; 2 - 7)- -95 q - 0,78* IO'3 кг； 3 - 7} - -0,5, g - 0,4'10-3 кг; пунктирная линия - зависимость Mo ("Ro) При 7) —* 8

Таблица 1.1

Коэффициенты эмпирических зависимостей при малозаглубленном взрыве в модельных средах

Относительное заглубление 7)

Константа

Тиосульфат натрия

Плексиглас

01

2800

2700

2500

3500

瓦

440

600

700

870

1050

ш

2,57

2,34

2,22

2,28

必

1,71

1,69

1,7

1,54

1,53

Q

9

10,5

11,5

4

5

-0,50

1

0

ных заглублений, представим в виде

‘6石"1 при г0 < г*, У。н ♦

如「；“ при Го > г*.

Значения констант 々卜 6】,лъ pi и параметра г# приведены в табл. 1.1.

Отметим, что под значением коэффициента 也 при малоза глубленном взрыве не следует понимать массовую скорость 班 границе среда - заряд, так как закон изменения массовип скоростей вне зависимости от заглубления совпадает в не которой области г0 < а*, где а* - функция параметра т>, законом для п —► 8. Действительно, в результате распар разрыва на границе среда - ПД в среде ({юрмируется возму щение, амплитуда которого определяется свойствами среды 1 используемого ВВ [66].力

До момента прихода возмущения (волны разгрузки) от сво бодной поверхности амплитуда взрывной волны сжатия в сре^ не зависит от заглубления и совпадает по величине с амплиту дой волны, генерируемой камуфлетным взрывом. Поскольку волн разгрузки от свободной поверхности распространяется со ско ростыо звука в напряженной среде (за фронтом прямой волш сжатия), которая превышает скорость звука в разгруженном mw териале, дополнительное по сравнению со случаем »8 о

лабление амплитуды волны, вызванное наличием свободной пс верхнсхгги, происходит, начиная с расстояния а*. Конкретны значения параметра а* определяются величиной заглубления, также временем прихода возмущения от свободной поверхности границе среда - продукты детонации. Значения параметра а рассчитанные в соответствии с зависимостями, представленным на рис. 1.12 и 1.13, приведены ниже.:

СредаТиосульфат Плексиглас

натрия 7) г0,501-0,50

% 1,622,8-1,4

Приход волны разгрузки от свободной поверхности к очаг взрыва ведет к заметному сокращению длительности волновог движения по сравнению со случаем у •-* ». Причем, чем ближ источник взрыва находится к свободной поверхности, те! большее влияние она оказывает ца длительность взрывной сигнала. Таким образом при взрывах разного заглубления области г < а^ формируется волновое движение с одинаково амплитудой и существенно различной длительностью. При это1 более короткие волны соответствуют взрывам меньшею заглубления. Последнее приводит к тому, что в облает неупругого поведения среды г < & волны от разнозаглубленны: взрывов затухают неодинаково. Причем, как и следует ожидап более короткие волны затухают сильнее.

Законы изменения приведенных максимальных смещений часп среды приведены на рис. 1.14 и 1Л5. Приведенная длител ность положительной фазы движения представлена на рис.

рис. 1」4. Зависимость приведенных максимальных перемещений в среде от расстоя- ния при взрыве в тиосульфате (обозначения см. рис. 1Л2)

и 1Л7, Анализ полученных экспериментальных данных 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 отдельно по максимальной массовой скорости оь, максимальным перемещениям оь и длительности положительной фазы волны сжатия в среде Уз・ Значения величин з^ з? и 例,определяющих "камуфлетннй" эквивалент малозаглубленного взрыва по соответствующим параметрам, приведены в табл. 1.2.

Из табл. L2 видно, что камуфлетные эквиваленты, определенные по максимальной массовой скорости и длительности положительной фазы движения в волне сжатия, заметно отличают- 0 В этом и заключается причина того, что малозаглубленные взрывы с разными значениями параметра 刀 не могут быть сведе-

Рис* L16. Зависимость приведенной длительности положительнойРис* L16. Зависимость приведенной длительности положительнойфаз движения в волне сжатия от приведенного расстояния при взрыве тиосульфате (обозначения см, рис. 1.12)

Рис* L16. Зависимость приведенной длительности положительной

Рис* L16. Зависимость приведенной длительности положительной

舍 *г/^%,с/к「玲4厂舍 *г/^%,с/к「玲4厂Рмс 1.17. Зависимость приведенной дд тельносги положительной фазы даиже^ш волне сжания от приведенного рассгс^ян] пря взрыве в плексигласе (обозначен!

舍 *г/^%,с/к「玲

4厂

舍 *г/^%,с/к「玲

4厂

см. рис. 1.13)

f а б л и ц a 1.2

Самуфлетные эквиваленты малозаглубленного взрыва

7|31 ЗаI 31 I W2 I ^э

-0,5О-0,5ОТиосульфат натрияПлексиглас0,350,250,180,5,0,230,10,650,250,440,730,50,250,80,750,65--—Тиосульфат натрияПлексиглас0,350,250,180,5,0,230,10,650,250,440,730,50,250,80,750,65--—

-0,5О

-0,5О

Тиосульфат натрия

Плексиглас

0,35

0,25

0,18

0,5

,0,23

0,1

0,65

0,25

0,44

0,73

0,5

0,25

0,80,75

0,65

-

-

—

Тиосульфат натрия

Плексиглас

0,35

0,25

0,18

0,5

,0,23

0,1

0,65

0,25

0,44

0,73

0,5

0,25

0,80,75

0,65

-

-

—

ны в группу подобия по одному из параметров взрывного источника (взрывы разных по весу зарядов с одинаковым 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, поскольку одинаковый эффект, вносимый свободной поверхностью, должен приводить к одной и той же величине относительной энергии, теряемой при утечке продуктов взрыва в воздух и образовании поверхностных и приповерхностных волн. Смещение среды явллегся в этом случае некоторым энергетическим эквивалентом взрывного воздействия, так как ни амплитуда волны, ни ее длительность не определяют по отдельности энергию, 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 амплитуду волнового движения вблизи источника возмущений. Влияние неоднородности, как это следует из рассмотрения малозаглубленного взрыва, сказывается только на значительном от нее удалении, причем происходит плавное, а не 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 новщх поверхностей при разрушении.

Вследствие асимметрии волнового поля при малозаглубленном взрыве существует специфическая характеристика механического воздействия - импульс, переданный твердой среде в положительном направлении оси z (см. рис. L11):

Рис. 1.18. Импульс, переданный твердой рреде в положительном направлении оси z 卩 ри взрывах разного заглубления %

7 - W； 2 - 1; 3 - 0; -< - -0,5

R W

I » 2n J Pdr $ pv si“i8SC薛h

где Ri - радиус взрывной полосги, определяемый смещением среды на границе среда-заря^.

Используя эпюры массовых скоростей, полученных при взрывах разного заглубления, ' построим распределение скорости среды за фронтом волны для рааличных моментов времени. Также, как и в случае п 严，непосредственно за фронтом имеет место распределение (1.2), причем в области К < & показатель степени 自 爆 1,4 для вс^х значений параметра 期・ '

твердой среде при взрыветвердой среде при взрывемассоймассойС учетом степенного распределения скорости по радиусу и условия р ■ const определяем импульс, переданный твердой среде в различные моменты времени (рис. Llg). Из рисунка бидно, что по мере формирования волны сжатия в твердой среде переданный ей импульс увеличивается и при R * R* практически достигает своего максимума 几 Величина ,/о приведена ниже. Там же для сравнения приведены значения А, полученные в результате непосредственных измерений при малозаглубленном взрнве в песке (Б.А, Иванов, 1976). При оценках импульса не учитывалась его составляю^цая, переданная твердой среде в отрицательном направлении оси z, которая присутствует при 7) > О*

твердой среде при взрыве

твердой среде при взрыве

массой

массой

Максимальный импульс (Нв с), переданный 1 кг в зависимости от заглубления заряда

7|

ТиосульфАт натрия

Плексиглас '

Песок ：

-0,5 250 180；

0490390370

1660

500、

со 930* 558

Рис. 1.19. Зависимость максимальных массовых скоростей в продольной волне сжатия на свободной поверхности от приведенного расстояния:

^-*0*0; 2-7) - -0,5； 3, 4 ■ то же, в волне, распространяющейся в глубь среды (соответственно для 7) ■ 0 н 7) ■ -0,5)

В заключение следует отметить, чтр при вычислениях импульса проводилось интегрирование по полусферическому объему» Для установления характеристик радиального движения вблизи свободной поверхности проводилась специальная регистрация массовой скорости в продольной ^олне сжатия на 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.

L3・ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ ПРИ ВЗРЫВЕ В ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТИ

Исследование возможностей для управления механическим воздействием подземного взрыва ведет к необходимости рассмотрения различных вариантов взрывного источника. Одним из действенных способов управления параметрами начальной 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 волоы сжатия подземного ядерного взрыва. Теоретические исследования и измерения,

Рис. 1.20. Зависимость магнитуды сейсмоволны от мощности взрыва

Связанные взрывы: / - гранит; 2 - риолит; 3 - туф; 4 - соль; 5 - глина. Взрыв в полости: 6 - эксперимент "Стерлинг” (соль); 7 - теоретический декаплинг для искусственно созданной полости: полный (сплошная линия) и свыше 10 кт частичный (пунктирная)1иния)

проведенные при ядерном взрыве "Стерлинг” (США) в полости, образованной в результате эксперимента "Салмон" [85], показали, что применение воздушной полости позволяет значительно видоизменить взрывной сигнал и снизить сейсмическое воздействие подземного взрыва. Приведенные на рис. L20 данные наглядно демонстрируют насколько велико влияние воздушной полости на магнитуду сейсмовзрывного воздействия (магнитудой сейсмического воздействия называется величина Ms = Ifi^m - 1^0，где А。- амплитуда стандартного сейсмографа на данном расстоянии, As - амплитуда стандартного сейсмографа на том же расстоянии от стандартного земле- трясений,

В дальнейшем взрывом в воздушной полости занимались в связи с вопросами повышения э4х{)ективности передачи энергии твердой среде. Было обнаружено (Н.В. Мельниковt Л.Н. Марченко, 1972 г), что исключение прилегающей к заряду зоны пере- измельчения среды, вследствие применения полости вокруг 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 выброса грунта дает полость радиусом около 1,2, вследствие чего вопросы влияния размеров полости на динамику деформирования среды детально не рассматривались. В настоящих исследованиях радиус полости 及口 изменялся в промежутке от 1,5/?о до 18Kq, что позволило в широких пределах изменять плотность энергии взрывного источника и амплитуду начальной нагрузки.

Схема опыта и методика исследования десЬоомиоования твердой среды при взрыве заряда в воздушной полости подробно описаны в работе [64]. Характерные осциллограммы массовой скорости, полученные при взрыве микрозаряда в воздушной полости, приведены на рис. 1.21 для некоторых относительных размеров полости g = &/R). Видно, что в отличие от связанного взрыва (взрыва плотноупакованного заряда) волна сжатия состоит из нескольких последовательных фаз, каждая из кото-

взрыве в воздушной полостивзрыве в воздушной полости

взрыве в воздушной полости

взрыве в воздушной полости

Рис. 1.21. Осциллограммы массовой скорости при с относительным размером 2 (а) н 3 ⑹

力員"•加/e/К产力員"•加/e/К产

力員"•加/e/К产

力員"•加/e/К产

Рис. 1.22. Время запаздывания второго максимума волны в зависимоон от радиуса воздушной полости при взрыве зарядов массой 10'3 кг：

/ - 0,17; 2 - 0,4; 3 - 0,78

Рис. 1.23. Приведенная длительность пер

вой фазы волны сжатия при взрыве в полостях разного относительного размера & / ~ 1,5; 2 - 2; 3, 4 - 3 (обозначения см. рис. 1.24)

рых характеризуется по амплитуде своей максимальной скоростью ,(/ н 0; 1; 2;…，л).

Сравнение времени запаздывания Дт второго максимума волны от первого со временем пробега воздушной ударной волны 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 Ат не меняется с расстоянием до взрыва и практически определяется линейным размером полости. В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 1.22 приведена величина Ат в зависимости от размера воздушной полости для взрывов зарядов разной массы.

Из приведенных на рис. L21 осциллограмм видно, что основной вклад в максимальное смещение частиц среды вносит

Рис. 1.24, Зависимость максимальных массовых скоростей в волне сжатия аг приведенного расстояния：

，2, 3 ・ q ■ 7,8-10й кг (g - 1,5； 2； 3)； 4 - q ■ 4е 10~4 кг; (§ - ■ 3); пунктирная линия - та же зависимость при связанном взрыве

Рис. 1.25. Зависимость максимальных массовых скоростей в волне сжатия от приведенного расстояния：

/ -《■ 7,8 ТО-’ кг (g ■ 4)； 2 ・ g - 1,7 • 10'4 кг (g ■ 4); 3 ■ q ■ 1,7 е Ю"4 кг; (g ■ 6,7); пунктирная линия - зависимость m)(，Kq) при

UqS^^UqS^^J 2;58; 65J 2;58; 65первойпервойVo н "W2Vo н "W2при Го < г*при Го > Гф.при Го < г*при Го > Гф.

UqS^^

UqS^^

J 2;58; 65

J 2;58; 65

первой

первой

Vo н "

W2

Vo н "

W2

при Го < г*

при Го > Гф.

при Го < г*

при Го > Гф.

Рис. L2& Приведенные максимальные перемещения в волне сжапш (обозначения см.

рис. 1.24)

первая фаза движения от центра взрыва. Для полсютей с 3 и 4 этот вклад составляет в среднем соответственно и 75%.

На рис. L23 представлена приведенная длительность

фазы т с расстоянием г для некоторых размеров воздушной полости, Отметим дополнительно, что при взрыве заряда массой 7,8 • 10'4 кг в полости 乐产 4 средняя* длительность первой фазы составила около 9,5 ТО” с.

Из рис. 1.23 видно, что длительность первой фазы постоянна с расстоянием до взрыва с точностью до разброса экспериментальных данных и уменьшается с увеличением относительного размера воздушной полости. Аналитическая зависимость т(^) представима в виде

т/^ 邕 4 10 ^ 038 (1 W g $ 4).

Значение первого максимума волны сжатия 恥(максимальная массовая скорость) приведено на рис. 1.24 и 1.25. Из графиков следует, что, как и в случае £ ■ 1, для 1,5 < g < 4 можно выделить две области, отличающиеся степенью затухания максимальной массовой скорости с расстоянием. Полученные зависимости описываются формулой

Рис. 1.27. Скорость смещения стенки воздушной полости в зависимости от ее радиуса

Коэффициенту 口2,岳,孔2, Ра, а также приведенный размер характерной облаЬти г* представлены ниже.

Законы изменения максимальных смещений в волне сжатия приведены на рис. 1.26 и имеют вид н。/严=尸2兀晩.

Коэффициенты эмпирических зависимостей дляКоэффициенты эмпирических зависимостей дляполостиполостиЗначения констант F? и sz приведены ниже.

Коэффициенты эмпирических зависимостей для

Коэффициенты эмпирических зависимостей для

полости

полости

1,5

2

3

4

6,7

ПО

620

530

500

-

370

220

190

240

320

2,22

2,23

2,21

2,24

-

.1,72

1,63

1,6

1,76

1,7

8,8

6,8

6,3

6,5

0,22

0,45 1,97

0,11

1,86

-

-

взрыва заряда в воздушной

Измерение массовых скоростей с помохцью датчиков, установленных непосредственно на стенке воздушной полости, позволяет получить зависимость максимальной скорости стенки полости от радиуса последней %(Кп). На рис. 1.27 приведена указанная зависимость (кривая /), 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 полсюти, равной плотности заряда ВВ, с переменным показателем изэнтропы (со-

ответственно кривые 2 и 3)・ Данные о давлениях продуктов детонации и показателях изэнтропы выбирались согласно [301.

Из сравнения кривых рис. 1.27 можно сделать вывод: для полостей с относительным размером С < 3 определяющим фактором для скорости смещения стенки полости является действие продуктов детонации, а для полостей с g < 3 ■ отражение воздушной ударной волны. Это определяет различный механизм передачи энергии твердой среде для воздушных полостей разного относительного размера. Если при взрыве в полостях с относительным радиусом £ < 3 для определения работы продуктов взрыва над твердой средой допустимо пользоваться квазиста- тическим представлением о расширении сильно сжатого газообразного материала, то при С < 3 для определения величины переданной среде энергии необходимо привлекать динамические соотношения.

Результаты измерений показывают, что с увеличением размера воздушной полости, а следовательно, плотности энергии источника интенсивность волны сжатия в среде падает. Из характера изменения максимальной скорости стенки полости и величины показателей степени в законах изменения максимальных массовых скоростей в среде от Ло до 3・4风 скорость в среде на фиксированном расстоянии падает, затем при увеличении Rn от 3・4К)до 7Ko несколько возрастает и далее снова падает, оставаясь меньше своего значения при Кп * 3-4&(). В качестве иллюстрации ниже приведен коэффициент ослабления взрывного воздействия по амплитуде волны сжатия

полученный по зависимостям рис. 1.24 и 1.25 для полостей различного относительного размера &

S 1,52346,71017,4

1,82,52,853,32,22,35

Обнаруженный эффект периодического изменения ослабляющего действия воздушной полости с ростом ее размеров позволяет лать некоторые рекомендации для целей проведения взрывов с

Таблица L3

Эквивалентная масса заряда, кт

Эквивалентная мощность связанного взрыва, кт

Доломит

Каменная соль

Гранит

туф

1

2,1

2,6

'2,7

4

5

10,5

13

13,5

20,2

20

42,1

52,1

54,1

80,8

100

211

262

272

405

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 связанного взрыва соответствующей мощности. Так в табл. 1.3 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!1ствуют о возможности заметного ослабления механического действия подземного взрыва с помощью воздушной полости, что имеет немаловажное значение с точки зрения подавления сейсмического сигнала.

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ ВО ВЗРЫВНОМ ИСТОЧНИКЕ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ СРЕДЫ

Процесс формирования взрывного источника* в случае использования ядерного заряда сопровождается падением 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 газсм^разного рабочего тела вследствие испарения и разложения отдельных компонентов горной породы. Следовательно, зарядную камеру при ядерном подземном взрыве нельзя рассматривать в качестве источника механического воздействия, как это принято при взрывах химического ВВ.

Установление источника в этом случае непосредственно 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 химического состава можно варьировать двумя способами: 1 - применением ВВ с разным объемным энерговыделением и 2 - различной полнотой упаковки в зарядной камере. Первый случай соответствует применению ВВ различной плотности при плотной упаковке зарядной камеры. Второй - взрыву зарвда 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

生产/e

Рнс. 1.28. Максимальные массовые скорости в среде при взрыве при плотности ВВ 103 кг/м3:

7 - 1; 2 - 0,5; 3 - 0,4; пунктирная Линия - ifa же ^вйсймосгь при взрыве заряда плотностыо 1,5 • 10'' кг/м3

Рис* 1.29. Приведенные максимальные перемещения в среде при взрыве зарядов разной плотности (обозна* чения см. рис 1.28)

Рис. 1.30. Зависимость относительного размера зоны разрушения при взрыве зарядов от эффективной плотности заряжания： 1 - связанный взрыв; 2 - взрыв в воздушной полости

^/q% с/кг % 6 г^/q% с/кг % 6 г4 0100 200 4001000纱 г/м$4 0100 200 4001000纱 г/м$

^/q% с/кг % 6 г

^/q% с/кг % 6 г

4 0100 200 4001000

纱 г/м$

4 0100 200 4001000

纱 г/м$

Рис* 131. Зависимость скорости смещениж стенки зарцдной камеры от эффектавной шют> ности заряжания (обозначения см. рис 130)

Рис. 1.32. Зависимость приведенной длител ности положительной фазы * волне сжатая 1 расстоянии г = & от эффективной плопюся заряжания (обозначения см. рис. 1«30)

заряжания ВВ определяется одинаково: pi - д/ 匕,где 匕 - объем зарядной камеры. Однако при одинаковых значениях параметра pi указанные случаи характеризуются совершенна разными условиями передачи энергии окружающей заряд среде.扌

,Ранее были установлены основные параметры воздействия при взрыве заряда ВВ, расположенного в воздушной полости, Н при взрыве связанного заряда плотностью 1500 кг/м3, В настоящем параграфе рассмотрены результаты исследования взрывов связанного заояда плотностью 400 кг/м3 (насыпной тэн)» 500 кг/м3 (насыпной двукратноосажденный тэн) и 1000 кг/ыг (прессованный тэн), а также дается сравнительная характеристика взрывов связанного заряда и заряда, расположенного в воздушной полости. В качестве основного параметра, характеризующего взрывное воздействие в твердой среде, выбрана эффективная плотность заряжания pi.

Основные параметры волн сжатия w м w в среде (тиосульфат натрия), получешше в результате измерения массовых скоростей, приведены на рис. L28 и 1.29 в зависимости от при-

веденного расстояния г。= r/R^. Пунктиром на рисунках обозначены для сравнения параметры волн сжатия при взрыве заряда pi к 1500 кг/м3. Следует отметить, что по мере падения iliot- ности заряжания интенсивность взрывного воздействия в среде падает. Это соответствует представлениям о распаде разрыва на границе продукты детонации - твердая среда при разных плотностях ВВ.

Падение интенсивности волны сжатия с уменьшением плотности заряжания ведет к уменьшению объема зоны разрушения, а следовательно, эффективности дробящего действия взрыва. Величина радиуса зоны разрушения К*, оценка которой проводилась по изменению стенени затухания максимальной массовой скорости, приведена на рис. 1.30 в зависимости от параметра рь На этом и последующих рисунках данные, полученные при взрывах связанного заряда и зарзда, расположенного в 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 тг/д"з на расстоянии г = &*. В качестве т при взрыве в воздушной полости выбиралась длительность первой (основной) фазы движения. Радиус зарядной камеры Rq в случае взрыва в полости принимался равным Лп.

Полученные в результате эксперимента зависимости К*д)и T(pi) позволяют записать формулы, удобные при проведении инженерных оценок

&/&0 = 0Д1Р?'65;р/宀=4-10'5р?3,

где pi - плотность заряжания, кг/м3,

С использованием связи 公*(р】)легко получить зависимость, позволяющую оценивать работоспособность ВВ различной плотности при разрушении твердой среды (расход ВВ на дробление). В нашем случае она имеет простой вид 〃匕-1(Гр=

где q - масса заряда, кг;匕-объем разрушенного материала, м3.

Максимальная скорость смещения стенки зарядной камеры (м/с) Уп(Р1), представленная на рис. 1.31 в виде сплошной линии, имеет вид

v„ = 0,25时

где pi выражено в кг/м3.

Как правило, для оценок пользуются акустическим приближением % ~ 尸，где Р - давление продуктов детонации. В этом случае может возникнуть вопрос о сопоставимости зависимо^*： тей уп(Р1) и P(pi), так как в интересующем диапазоне гокЙК

костей заряжания 500 кг/м3 < pi < 1500 кг/м3 давление волне детонации представимо в виде [30]

Р - pf1.

Для прояснения кажущегося противоречия между зависимое тями уп(Р1) приведем оценку величины %• Представим ударнув адиабату модельной среды в виде

* - с /^^ + 1,35у,(1.3)"

гце ^ - скорость распространения ударной волны в среде, с ” скорость звука в среде.

Рассматривая реализующийся на практике случай, пресно抵 гаем, что при выходе детонационной волны на границу ср да - ВВ начальное давление на границе раздела сред 尸^ меш ше давления во фронте детонационной волны. Выбирая пара метры детонационной волны, согласно данным работы [30]: оценивая величину % для разных рь убеждаемся [63], % действительно соотношение Рх < Р имеет место при pi > 1300 кг/м3. Оценочные и экспериментальные значения % j этом случае совпадают. При pi * 1300 кг/м3 происходит сме1 режима отражения детонационной волны: в области pi 二 < 1300 кг/м3 начальное давление на границе раздела сред ， превосходит величину 尸.В итоге это приводит к замедлениг уменьшения величины »口 в зависимости от 〃，в результат чего средняя степень изменения vn(Pi) в 1,5 раза ниже 6 пени изменения P(pi).

Приведенные на рис. 1.28-1.32 параметры взрывного возде ствия показывают, что эффективная плотность заряжания опр деляет основные характеристики взрыва вне зависимости от d го, каким способом изменяется величина р】：параметры, н叫 ченные при связанном взрыве и при взрыве в воздушной паи сти, с хорошей точностью группируются вокруг единых завиа мостей* Особое внимание следует обратить на скорость стена зарядной камеры. Близость значений амплитуды начального вся действия при одинаковых значениях параметра pi в слу<и связанного взрыва и взрыва в воздушной полости во многом oi ределяет общность в развитии взрыва при указанных условиях!

. ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ в ЗОНЕ КВАЗИУПРУГОГО ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛА СРЕДЫ

Непосредственно с зоной разрушения при взрыве гранив зона квазиупругого поведения твердой среды* Для получет качественных соотношений между параметрами взрывного возд* ствия в этой области можно воспользоваться результатами

шения волновой задачи в упругой постановке* Так известное решение Шарпа дает распределение силовых и деформационных характеристик среды в сферической волне сжатия, распространяющейся в упругой среде вследствие мгновенного возникновения давления в сферической полости, расположенной в безцш- ничном однородном пространстве. При такой постановке задачи уравнение движения среды имеет вид

(L4)(L4)

(L4)

(L4)

где и - смещение частиц среды во времени, с - скорость распространения продольных возмущений в среде.

Общее решение уравнения (1.4) представимо в виде суммы бегущих волн

fiit - -^9 + Л« - -f•〃产 + f；(f + 七次中)+

f2a +子)/6

где 力 и 力-произвольные функции, конкретный вид которых определяется начальными и граничными условиями*

В частном случае излучаемой волны имеем:加■ 0. Тогда искомые функции, описывающие волновое движение в среде, выразятся через Л(и), гце з = t - rlj следующим образом:

u = //(w)/ (сг) + 力(3)/尸(1.5)

V = Л (w)/(cr) + /1 (w)Zr2,(1.6)

4 = Р。』(普 + 彥 *，(L7)

=旣* (一卜 + » ^-).(1.8)

Граничное условие: — = - Р^ при t > 0, г ^ R^ приводит к дифференциальному уравнению второго порядка относительно функции А：

Z , 2C1-2V) с 丿.2(1-210 , с、2工ЛгРоо

решение которого с учетом начальных условий

Л(0) = < (0)产 О

имеет вид

力(3)N - _LLJ^LLl£iul_ 1 - “声 sim^s + 2(l-2P)p0c2

ssaw exp (普~ 晋》,ssaw exp (普~ 晋》,4T^7(i”)Ki・4T^7(i”)Ki・Полученное решение полностью определяет все характеристики волнового движения с помощью связей (1.5) - (1.8). В частности на больших расстояниях г 》Ki эпюра массовой ско； рости имеет видi・2u сзу 皂一^-=計争' (cos”> - vl-少 si卩о“з e 五】・(1.9)Полученное решение полностью определяет все характеристики волнового движения с помощью связей (1.5) - (1.8). В частности на больших расстояниях г 》Ki эпюра массовой ско； рости имеет видi・2u сзу 皂一^-=計争' (cos”> - vl-少 si卩о“з e 五】・(1.9)Найденное таким образом решение можно подправить, есл> учесть изменение величины Роо со временем. Учет эффекта падения давления в полости со временем при решении упругой задачи можно осуществить, например^ путем выбора граничногс условия:…f > о.В этом случае функция A(w) имеет ^ид2(1-2 以)poMLc/1 -2PНайденное таким образом решение можно подправить, есл> учесть изменение величины Роо со временем. Учет эффекта падения давления в полости со временем при решении упругой задачи можно осуществить, например^ путем выбора граничногс условия:…f > о.В этом случае функция A(w) имеет ^ид2(1-2 以)poMLc/1 -2P

ssaw exp (普~ 晋》,

ssaw exp (普~ 晋》,

4T^7(i”)Ki・

4T^7(i”)Ki・

Полученное решение полностью определяет все характеристики волнового движения с помощью связей (1.5) - (1.8). В частности на больших расстояниях г 》Ki эпюра массовой ско； рости имеет видi・2u сз

у 皂一^-=計争' (cos”> - vl-少 si卩о“з e 五】・(1.9)

Полученное решение полностью определяет все характеристики волнового движения с помощью связей (1.5) - (1.8). В частности на больших расстояниях г 》Ki эпюра массовой ско； рости имеет видi・2u сз

у 皂一^-=計争' (cos”> - vl-少 si卩о“з e 五】・(1.9)

Найденное таким образом решение можно подправить, есл> учесть изменение величины Роо со временем. Учет эффекта падения давления в полости со временем при решении упругой задачи можно осуществить, например^ путем выбора граничногс условия:

…f > о.

В этом случае функция A(w) имеет ^ид

2(1-2 以)poMLc/1 -2P

Найденное таким образом решение можно подправить, есл> учесть изменение величины Роо со временем. Учет эффекта падения давления в полости со временем при решении упругой задачи можно осуществить, например^ путем выбора граничногс условия:

…f > о.

В этом случае функция A(w) имеет ^ид

2(1-2 以)poMLc/1 -2P

а зависимость (L9) перепишется в вхще

У /& (正exp Г- в t ;甯 詈)］十

+ 傍iT + ~HB"~ ^2) cosa2w - 〃®(l^T ?-p~)sina2W >x E (-普制'

где Bi н Вз； В2 н 1 - BA""112T Poo » Po 0 1 - 一衅丄 +

+ e■

2(1-2V)c2

Приведенные решения волновой задачи предполагают упругое поведение материала среды во все黄 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 упругости материала среды.

Рассмотрим характеристики движения и напряжения в среде в квазиупругой области взрывного воздействия на основе локальной упругости материала, а именно: будем предполагать, что в целом неупругая среда, движение которой в любой конечной области не описывается уравнением (1.4), допускает использование упругих связей (1.7) и (1.8) при описании среды в каждой отдельно связанной точке пространства.

Необходимые для описания параметры волнового движения при г > Лф будем брать из модельного эксперимента в тиосульфате*

Смещение частиц среды вне зоны разрушения с хорошей точностью описывается зависимостью

гио(1-е"азй>), 0 < w < т, и(г, <<>) - ^(1Л0)

т < « < тт>

где т и тт - соответственно время положительной фазы движения в волне сжатия и длительность волны; w - максимальное смещение частиц среды на данном расстоянии от взрыва; 4,恤 и 才■ функции координаты, определяемые из условий непрерывности деформаций

wo(l ■3Tj ■ Лсв'^т,

асехр(-угт)а "・(及*")25

С помощью последних соотношений с привлечением (1.10) и связей:

получаем

% - 2/т,

A： ■ (0,2漩2产5)/(/及#),

才・ 十 In [0,43以典产7(M：s)]■

Рис. 1.33. Распределение радиальных напряжений в среде：

I - А〃?о - 40; 2 - 60

Здесь: W ■ остаточные перемещения; ц> ■ максимальные массовые скорости в среде при взрыве.

<гг * -рои>с exp<гг * -рои>с exp2<Kr)ст2<Kr)ст。0С2(1-2以)3 (1-V)Г。0С2(1-2以)3 (1-V)ГС помощью (L7), (1.10) и найденных значений параметров задачи определяем распределение радиальных напряжений вне зоны разрушения для времен 0 < w < т

<гг * -рои>с exp

<гг * -рои>с exp

2<Kr)ст

2<Kr)ст

。0С2(1-2以)3 (1-V)Г

。0С2(1-2以)3 (1-V)Г

(1.11)

В качестве иллюстрации на рис. 1.33 представлены получен- ные зависимости <г/г) для некоторых положений фронта волны (К н 4О^о и К ■ 60&).

Как уже отмечалось, при выходе волны сжатия из зоны разрушения в ней начинает формироваться фаза возвратного 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 общим представлениям и определяет размеры зоны квазн- упругости).

Поток энергии за время т через сферическую поверхность

Ei --4”电М о

отсюда, привлекая соотношения (1.10) и (1Л1), получаем

Е .史So/(kZP)<4(1 . «В + 卫咏/ (1 _ 口・

(1 -以"3m工

Выражая ио через максимальную массовую скорость рь и диф-

рис. L34. Энергия, диссипированная в слое вещества толщиной dr：

J - расчет с учетом возвратного движения среды, 2 - расчет по формуле (L1D

С ~ 70/2 (1・2“)С ~ 70/2 (1・2“)ЙТ2 1ЙТ2 1О,87(1“)尸 (1-2ЮсТО,87(1“)尸 (1-2ЮсТ(1-12)(1-12)ференцируя последнее выражение по координате, получаем значение энергии, диссипированной в слое вещества толщины dr, в виде

С ~ 70/2 (1・2“)

С ~ 70/2 (1・2“)

ЙТ2 1

ЙТ2 1

О,87(1“)尸 (1-2ЮсТ

О,87(1“)尸 (1-2ЮсТ

(1-12)

(1-12)

Полученная формула с достаточной точностью описывает энергетические потери в волне сжатия. Более точное выражение для Q можно получить учитывая движение при т < w < т^ Получающееся в результате такого подхода выражение для Q в виду своей сложности не приводится. Однако как показывают сравнительные оценки (рис. 1.34), при расчете интегральных потерь энергии в области квазиупругости вполне допустимо пользоваться зависимостью (1.12).

2・ СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Познание процессов и явлений, наблюдаемых в природе и практической деятельности человека, связано с установлением количественных закономерностей, оторажающих в динамике основные свойства объекта исследований. Количественное описание конкретного процесса основывается на предварительном накоплении достаточного объема фактического матерала, что требует в большинстве случаев проведения трудоемких и продолжительных наблюдений. В том случае, когда физический механизм процесса выявлен и поддается искусственному воспроизведекЙ^. (экспериментальному либо математическому), получение мации о свойствах исследуемого объекта значительно упро曲鋒

ся. Воспроизведение (либо отображение, если речь идет о математическом описании) объективных закономерностей с целью их изучения составляет то, что называется моделированием. Наиболее действенным методом исследования физических явлений и процессов является экспериментальное (физическое) моделирование -непосредственное воспроизведение аналога объекта исследований в контролируемых условиях в удобном для исследования масштабе.

Модель реального процесса безусловно является его неполным отображением, поскольку выбор модели основывается на конкретных представлениях исследователя о физическом механизме изучаемого процесса и зависит от поставленных целей и задач, а также полноты охвата объекта исследований в целом. Однако степень схематизации реальной картины должна обеспечивать достаточную полноту и точность оценок на основе заложенного в модель механизма явления. Совершенство модели определяется как степенью изученности объекта, так и 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 моделирование в качестве одного из основных методов получения подробных систематических данных об изучаемом явлении, а также рекомендаций, необходимых при решении практических задач. При этом следует отметить, что моделирование является, по существу, единственным спсюобом исследования процессов в сложных системах, экспериментальное воспроизведение которых в 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 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 условия. Преимущества такого эксперимента - точность определения условия опыта, строгое соблюдение геометрических параметров, ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ И Т.П. - позволяют в короткие сроки устанавливать определяющие зависимости между параметрами, а также оснсжные связи между разными проявлениями исследуемого явления» Причем модельный эксперимент предоставляет практически неограниченные возможности для широкого изменения условий проведения экспермента.

Помимо получения первоначального материала, отражающего изменения параметров явления во времени и пространстве, моделирование, как метод исследования, может быть использовано при обобщении уже имеющихся экспериментальных или теорети- 42

ческих результатов на другие условия. При этом отпадает необходимость в многократном проведении больших дорогостоящих опытов на натуре.

Моделирование основывается на рассмотрении подобных явлений и процессов, что определяет способность модели отражать наиболее существенные и характерные признаки объекта исследований. Подобными являются такие физические явления, 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 подобных системах и, наконец, в-четвертых, допускают сравнение между собой по сходственным физическим параметрам. Перечисленные признаки подобия одновременно являются правилами полного моделирования.

22 ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ И СОСТАВНЫХ ПРОЦЕССОВ

Изучаемые на практике процессы и явления характеризуются большим многообразием своих проявлений. Одни объекты представляются достаточно простыми с ясной структурой внутренних и внешних связей. Схематизация других (сложно 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 совокупность эффектов, сопровождающих исследуемый процесс. Последнее в большей степени относится к сложным процессам» физический механизм которых к моменту моделирования не до конца ясен либо не объясняет отдельных проявлений объекта исследований. Иногда к моделированию на основе неполного подобия прибегают в тех случаях, когда учет всех факторов реального процесса приводит к значительному усложнению модели или препятствует всестороннему исследованию наиболее существенных проявлений процесса. Так поступают, например, при установлении влияния группы определяющих параметров на результат процесса. В качестве примера могут служить лабораторные опыты по исследованию взрывного воздействия в блоках из канифоли (см. разд. 3.4). Действительно, процесс разрушения 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 изменению физики взрывного разрушения [36]. Тем не менее моделирование позволяет устанавливать качественное влияние парамеров взрыва (размер полости, экранировка и т.п.) на степень

и равномерность дробления среды при взрывном воздействии, что необходимо знать при организации крупномасштабного эк- спегамента.

Полное подобие выполняется при условии одновременного соответствия всех определяющих параметров модели и образа. На практике это означает равенство безразмерных коэффициентов (критериальных комплексов и симплексов) в уравнениях подобия, описывающих рассматриваемый класс явлений. Установить полный набор определяющих параметров проще всего в том 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 набора, но даже отдельных параметров подобия. Объясняется это тем, что экспериментально определить не всегда удается, влияет ли конкретно рассматриваемый параметр на исход процесса самостоятельно (симплексно) или в комплексе с другими параметрами.

Определенные трудности вызывает моделирование процессов, в свою очередь состоящие из ряда последовательных* В этом случае начальные определяющие параметры системы характеризуют исход только того процесса, который первым стоит в цепи реализуемых. Определяющие параметры каждого из последующих процессов являются в большинстве случаев результатом предыдущего* В связи с этим возникает необходимость в рассмотрении самой возможности моделирования на основе результирующих либо текущих значений параметров отдельно взятого процесса. С этой точки зрения вопросы подобия при моделировании 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 системе, характеризующихся разной величиной определяющих параметров.

Выделение инвариантных физических закономерностей из множества определяющих величин позволяет расширить возможности моделирования с точки зрения использования результатов лабораторного экспертмента. Так моделирование составных процессов, протекающих в натурных условиях неразрывно, облегчается вследствие возможности последовательного моделирования1 каждого процесса в отдельности (имеются в виду процессы, характеризующиеся разными определяющими параметрами, вследствие чего эти процессы необходимо моделировать раздельно). При этом з качестве критериев подобия могут быть выбраны величины, определяющие результат процесса, предшествующего исследуемому. Например, моделирование выпуска рудной массы из блока, подготовленного различными вариантами взрывной технологии, необходимо осуществлять в

два этапа. Н а первом этапе моделируется взрывное разрушение с изучением влияния всех осооенностей вн- бд^анной технологии на параметры дробления. Н а втором -выпуск рудной массы. Второй процесс моделируется отдельно от первого, поскольку определяющие параметры 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, характеризующая конкретную схему дробления при геометрически 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 технологического процесса^ Примером может служить численное моделирование процесса подземного выщелачивания металлов с целью установления оптимального с точки зрения экономики технологического варианта*

Подземное выщелачивание (ПВ) содержит в себе несколько самостоятельных процессов: подготовку рудной массы, собственно выщелачивание, переработку растворов и т.д. Каждый из указанных процессов может быть оптимизирован независимо по своим определяющим параметрам. Однако для установления оптимальных характеристик процесса ПВ в целом необходимо 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 параметры всех составляющих процессов.

Выбор метода моделирования во многом определяется задачами» которые ставит перед собой исследователь на основании подробного рассмотрения конкретных проявлений изучаемого явления, Для исключения неизбежного в этом случае 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 исследования физических процессов) имеет установление общих 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 процессов.

ОБЩИЕ СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ

Варьирование параметров взрывного источника (размер, плотность заряжания и т.п.) приводит к значительному изменению характеристик взрывного воздействия в твердой среде. Разнообразие условий взрывания, как и необходимость применения неэквивалентных зарядов, создает определенные трудности в описании и прогнозировании последствий взрыва.

Одним из распространенных методов, существенно облегчающих классификацию и прогнозирование парамеров взрывного воздействия, является постулирование на основе экспериментального материала некоторых эмпирических соотношений, 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 подобия при подземном взрыве формулируется следующим образом: на одинаковых приведенных к размеру зарвда одного и того же ВВ расстояниях параметры взрывного воздействия в данной среде подобны. Иногца этот принцип называют принципом энергетического подобия при взрыве [16], подразумевая при этом, что для взрывов одного ВВ (при неизменной плотйости здряжания) вес заряда % а следовательно энергия взрыва £Ь пропорциональны размеру взрывного источника. В частности, для взрыва сферического заряда g ~ &. В этом случае приведение взрывов разного масштаба осуществляется с использованием "без- размерной" координаты 〃。戸必 качестве примера можно 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, 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 интегральным воздействием источника при падении роли начальных условий взрыва [16]. При этом отмечается, что при взрывах химических ВВ плотность энергии может оказаться не достаточно высокой, так что параметры волнового движения будут зависеть не только от суммарной энергии взрыва, но также от особенностей взрывного воздействия. Действительно, изменение основного параметра взрывного источника - плотности заряжания pi 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 w и максимальные перемещения частиц среды "о на одинаковых приведенных расстояниях тЦ уменьшаются с увеличением относительного размера

воздушной полости С* Зависимость уь(г) в диапазоне 1 < ? < 2 (плотность заряжания 0,19* 103 кг/м3) < pi < 1,5ТО3 кг/м3) представима в виде

№ ■ —— 07严厂空 (2.1)

《1,8

тде а -4,5; pl = 2,1 при г/^ < 0,6/С и а = 5,2; pi = 1,7 при "炉戸 > 0,6/С-

Следует напомнить, что волны сжатия от разномасштабных взрывов в полостях с фиксированным значением параметра g, как это и следует от формулы (2.1), 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 знеь говвделения, что в свою очередь не может не сказаться на общей энергии взрыва &• 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 широком диапазоне рь 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 приведенных расстояниях г/寸戶 не совпадают. В частности, зависимость мо(г) аналитически описывается формулой

я» ■ Ър^{г/^УРг9

причем b н 3,3; с = 2Д при r]Q拉 < 0,55р?3 и 方■ 4,5; р ■ 1,7 при ，寸乃 > Qf55p^. Размерность плотности заряжания pi в последней зависимости для удобства записи 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 усложнению анализа и прогнозирования взрывного воздействия в твердой среде.

24 ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ

ПРИ ВЗРЫВЕ В ТВЕРДОЙ СРЕДЕ

Падение интенсивности волны сжатия в твердой среде при уменьшении плотности заряжания взрывного источника и уменьшении глубины взрыва непосредственно связано с перераспределением энергии между продуктами детонации и средой. Так с

Рнс. 2丄 Зависимость энергии, передана ной таердой среде при взрыве от эффект тавной плотности заряжания (обозначения см. рис. 130)

падением плотности заряжания оставшаяся в продуктах детонации энергия увеличивается. Зная закон смещения стенки 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. Аналитически полученную зависимость e(pO можно представить в виде е/& = 0,36рЗ 化'(2.2)

Энергия, переданная плексигласу при взрыве связанного заряда плотностью 1500 кг/м3 составляет согласно оценкам 70%: полной энергии взрыва.

Рассмотрим взрыв заряда вблизи свободной поверхности. Поскольку в этом случае часть энергии заряда получает возмож^ ность уходить вместе с продуктами детонации в воздух спустя некоторое время с момента взрыва, переданная твердой среде энергия уменьшается по мере приближения центра взрыва к свободной поверхности. По эффективности малозаглубленного взрыва по отношению к камуфлетному можно оценить величину е для различных заглублений заряда* Так как ни максимальная массовая скорость, ни длительность волны сжатия не определяют по отдельности работу, совершенную продуктами детонации, для оценок следует воспользоваться эффективностью малозаглубленного взрыва по перемещениям оь> Уч^ывая, 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-

刀Тиоульфат Плексиглас Песок ..刀Тиоульфат Плексиглас Песок ..0423635042363560-4760-478 т70-8 т70-Энергия, переданная твердой среде при взрыве, %

刀

Тиоульфат Плексиглас Песок ..

刀

Тиоульфат Плексиглас Песок ..

0423635

0423635

60-47

60-47

8 т70-

8 т70-

искомый параметр е. Для сравнения приведена величина с для песка плотностью 1600 кг/м3, полученная в работе [8].

Энергия % получаемая твердой средой в процессе взрывного деформирования, распределяется между основными проявлениями взрыва в соответствии с их относительной энергоемкостью. Естественно предполагать, что изменение величины е в 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 эксперимента) е величиной переданной среде энергии. Оценки, проведенные для взрыва в воздушной полости, показывают, что несмотря на наличие в среде первоначально незаполненного объема величина &* с хорошей точностью пропорциональна 展戶(ос

новной вклад в массу разрушенного вещества вносит область, прилегающая к границе г = R*). В качестве иллюстрации приведем значения RJR*q совместно с величиной [e(g)/e(g=

=I)]1 (К*о - размер зоны разрушения при связанном взрыве заряда-камуфлета).

Относительный размер зоны разрушения и относительная энергия, переданная твердой среде, при взрыве в полостях разного агносительного размера

£ : 1,523 .

&/&0 •0,700,540,50

/“"/*£ 川Г 0740,580,50

Анализ результатов исследования малозаглубленного взрыва позволяет установить аналогичную зависимость: &* » е^?

(табл. 2.1).

Таким образом, опуская вопрос об абсолютных значениях величин и затрат на разрушение единицы объема материала среды, отмечаем вполне удовлетворительное соответствие между объемом разрушенного при взрыве материала и переданной среде энергией как при взрыве в воздушной полости, так и при 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 (1.2), определяем кинетическую энергию среды в зависимости от положения фронта волны

4 =弩2・(R/R产％ ,

*3 - о

где R】- радиус камуфлетной полости, определяемый аппроксимацией зависимости u (г, Е) на границу среда - заряд ВВ (рис. 2.2).

РисРис22 Динамика22 ДинамикаТаблица 2.1

Рис

Рис

22 Динамика

22 Динамика

Относительный размер зоны разрушения и относительная энергия, переданная твердой среде, при взрывах различного относительного заглубления

R/R о

[еСф/еСП f ◎产戶

R/К о

[еСф/еСП -* а»)]1/3

Тиосульфат натрия

Плексиглас

-0,5

0,72

0,63

0,51

0,61

0

0,84

0,80

0,66

0,79

1

0,92

0,91

-

-

развития камуфлетно полости при плотности заряжания ВВ 15( кг/М3 (/)； 1000 (2); 500 У); 400 ⑴

Рис 2.3. Зависимость кинетической эне гии среды от положения фронта волны (К значения см. рис. 22，

Величина Е^ отнесенная к полной энергии взрыва, приват на на рис. 2.3 для разных плотностей заряжания pi. Из ii следнего рисунка видно, что при R < 2R кинетическая энерг среды возрастает по мере увеличения массы движущегося вещ ства (увеличения радиуса фронта волны). Затем при А > ， увеличение массы, вовлеченной в движение, не успевает кц пенсировать падение массовой скорости в волне сжатия и результате величина 々 падает с увеличением фронта волны»

25 ПОДОБИЕ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ

RPH ИЗМЕНЕНИИ УСЛОВИЙ ВЗРЫВАНИЯ ЗАРЯДА

Приведенное выше рассмотрение взрывного процесса показывает, что изменение параметров источника сказывается в первую очередь на энергетических соотношениях взрывного воздействия. Действительно, предполагая» например, закон расширения продуктов детонации в виде изэнтропы с постоянным показателем «и, получаем для работы продуктов взрыва выражение

1 ■ (р*/рвв)'"~1 ,

г^е р* - конечная плотность продуктов в камуфлетной полости.

Следует отметить, что написанная формула справедлива, вробще говоря, для полостей с С > 1,5, поскольку при 1 V g < 1,5 анализ затруднен газодинамикой воздушного промежутка.

Из последнего соотношения следует, что "полезна貝” работа продуктов детонации (энергия, переданная твердой среде при взрыве) уменьшается при снижении плотности заряжания взрывного источника - увеличения относительного размера воздушной полости g, что ведет одновременно к снижению р【， либо уменьшению плотности заряжания р】при связанном взрыву. Это подтверждается анализом экспериментальных данных Qm. рис. 2.1).

Изменение энергоотдачи взрыва при варьировании плотности заряжания является причиной нарушения подобия взрывного движения в общепринятом смысле (не общая энергия взрыва &, а трлько переданная твердой среде часть е определяет характер взрывного воздействия)« Для проверки высказанного предположения введем множитель эффективности взрыва

% = е/&; (% < 1)

и будем рассматривать параметры взрывного движения с использованием координаты г/q о/3, где qo = %g. Обработанные таким образом данные для зарядов различной плотности заряжания С привлечением значений &, вычисленных с помощью рис. 2.1, представлены на рис* 2.4-2.6 (максимальная массовая скорость, длительность положительной фазы движения и максимальные перемещения соответственно).

Из рис. 2.4-2.6 видно, что вне зависимости от характера изменения плотности заряжания (использование ВВ разной плотности или применение воздушной полости) все экспериментальные данные группируются вокруг единых зависимостей. Это говорит о выполнении принципа энергетического подобия применительно к параметрам движения твердой среды при взрыве заря- Арв с различной плотностью заряжания. Причем параметром но- Дрбия является энергия е, переданная твердой среде при

с/кг

勿

Рис. 2.4・ Зависимость максимальных массовых скоростей при взрыве от при веденного расстояния:

7-4 - связанный взрыв (плотность ВВ, кг/м3: 1500, 1000, 500 и 400 соот ветственно); 5-7 - взрыв заряда плотностью 15(X1 кг/м3 в полостях с g ・ ■• 1,5; 2 и 3 (плотность заряжания, кг/м3: 440, 190 и 55 соответственно)

2^2“4 力 2 “ 42^2“4 力 2 “ 4

2^2“4 力 2 “ 4

2^2“4 力 2 “ 4

Рис. 2.5. Длительность положительно фазы движения в волне сжатия (обозн: чсния см. рис. L36)

Рис. 2.6. Зависимость приведенных максимальных перемещений в среде от приведенного расстояния (обозначения см. рис. 1.36)

仞

Рис. 2.7. Ммсимальнш радиальная составляющая массовой скорости при связанном цилицдрическом взрыве в соли：

/ - плотность ВВ 1150 кг/м3; 2 ■ то же, 500 кг/м3

100

40

20

10

2。

也 200

Рис. 2・& Максимальная продольная сосгш- ляющав массовой скорости при цилицдрическом взрыве в соли (обозшгаения см. рис. 1.39)

4

0-1

•-2

Рис. 2.9. Приведенная длительность положительной фазы движения при циливд- рическом взрыве в соли (обозначениа см. рис 139)

”2

穿川:мке 40

仞 “2°"@学砧

взрыве. Особо следует отметить тот факт, что единственно! величиной, определяющей энергию е для данной среды как прТ связанном взрыве, так и при взрыве в воздушной полости является плотность заряжания взрывного источника, что позволяет рассматривать указанные случаи изменения плотност» заряжания совместно. “

В целях дополнительной проверки предложенного способ* приведения парамеров движения среды в группу подобия пр$ взрывах зарядов разной плотности заряжания| применим предло женную схему рассмотрения взрывного движения к случаю ци* ливдрического взрыва, предположив предварительно, что 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 цилиндрическое взрыва плотноупакованного заряда в соли [46]. Поправочный множитель % будем выбирать в соответствии с усредненной за* висимостью (2.2), 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 скорости vi, максимальная продольная составляющая массовой скоро-* сти V2 и приведенная длительность положительной фазы движем ния в радиальном направлении к/аУ? в зависимости от привей денного расстояния г/ (oi^Ro), где К。 - радиус цилиндрического заряда. Первоначальные . экспериментальные данные заимствованы из работы [46].

Из рис. 2.7-2.9 видно, что для предложенной схемы прове* дения взрывов экспериментальные данные, полученные при взрыве цилиндрических зарядов разной плотности, с вполне удовлетворительной точностью группируются вокруг единых за」 висимостей.

Таким образом можно считать, что принцип подобия движения по энергии, переданной твердой среде при взрыве, справедливг и в случае взрыва цилиндрических зарвдов разной плотности.

Анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании малозаглубленного взрыва, показывает, что в этом случае вопрос о подобии движения достаточно сложен. Действительно, при подобии временных .н амплитудных параметров взрыва по отдельности выделить общий параметр подобия не удается вследствие несовпадения эффективностей малозаглубленного взрыва по амплитуде 5 и длительности положительной фазы； движения 例.Однако более детальное рассмотрение имеющихся： данных свидетельствует о том, что при уменьшении прочности взрывной среды эффективность малозаглуаленного взрыва по амплитуде волны Qi приближается к эффективности по длительности (<ъ • Ниже приведено отношение Ш1/о>з для различных not

прочности сред, полученное при взрыве сферического полуза- глубленного заряда » = 0. В качестве параметра, характеризующего прочность среды, выбран приведенный размер зоны разрушения R，Rq при взрыве в данной среде заряда-камуфлета.

Отошение эффекшвностей малозаглубленного взрыва в зависимости от

прочности взрываемой среды Среда Плексиглас Тиосульфат

натрии

К /Ко 5*512*5

®1&Ъ'2,91,5

Канифоль

25

1

Для малопрочных сред (радиус зоны разрушения при взрыве заряда-камуфлета превышает 2ОЛо) принцип подобия должен выполняться, в то время как для взрывов в прочных средах 依* < 20KJ можно говорить лишь о подобии по каждому из параметров взрывной 再олнн 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 ДУ, который, как показывают оценки, находится в хорошем соответствии с е.

Относительный о&ьем, вытесненный сейсмическим источником во внешнюю область, в зависимости от относительной энергии, переданной твердой среде при взрыве

Среда

Тиосульфат натрия

Плексиглас

蹈一

0,31/0,47

0,3/0,49

£(8)

0,27/0,52

0,2/0,51

В числителе приведены значения при 7) * -0,5, в знаменателе при 7) ■ 0.

Сказанное позволяет судить о подобии взрывного воздействия в присутствии свободной поверхности по усредненным характеристикам: & (количество разрушенного материала) и АУ (результирующий сейсмосигнал). В качестве параметра подобия в этом случае также выступает энергия, переданная твердой среде в результате взрыва.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА В ЗОНЕ НЕОБРАТИМОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СРЕДЫ

. 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 - ц который линейный для взрыва сосредоточенного заряда разм области, в которой материал среды претерпел необратимые и менения, связанные с фрагментацией. Как правило, материй 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 зо1 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 мака мольными). Этот способ 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 н турного взрыва) снять характеристики движения вблизи заряг граница г * К* проявляется также изменением зависимое! максимальной массовой скорости и временных параметров волй с расстоянием. 、

Однако нельзя с уверенностью утверждать, что грани г = является точным размером окончательно сформированн при взрыве зоны разрушения. Скорее ее существование связа! с изменением скорости протекания диссипативных процессов t волне сжатия. Можно предполагать, что величина К* определя размер области, внутри которой происходит интенсивная 以曜 сипация энергии в самой волне, т*е. области объемного ра рушения (интенсивного дробления). Что же касается маке мального размера зоны разрушения, определяемого "медленны* процессом периферийного третцинообразования (одиночные тр щины пронизывают материал среды до расстояний, заметно пр вышающих К*), то этот размер является несущественной х

рактеристикой взрывного воздействия как с точки зрения объема разрушенной среды (количество раздробленного материала) ,так и с точки зрения влияния на формирующееся в среде сейсмовзрывное движение* Характерно, что размер зоны разрушения, полученный по параметрам движения среды, подтверждается результатами измерения остаточных температур [61] и непосредственными наблюдениями материала в ближней зоне взрыва.

Рассмотрение остаточной плотности среды после взрыва 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 К* для тиосульфата натрия, равная 20Ko. Однако следует иметь в виду, что применение указанного метода ограничивается некоторыми его недостатками: во-первых, градиент изменения остаточной плотности при взрыве мал (это затрудняет установление точного расстояния, на котором остаточная плотность сравнивается с начальной), во-вторых, ошибка в определении величины Лр/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 расширения фронта видоизменяется, ее амплитуда падает. Если вблизи зарада напряжения в среде, вызванные сжатием в волне, превосходят прочность среды, вызывая разрушения, то на больших расстояниях амплитуда волны недостаточно для создания в среде воздействия, превышающего прочностные характеристики материала - здесь среда ведет себя квазиупруго. Введенный термин Иквазиупругостьм [63] характеризует поведение среды в большом диапазоне расстояний вне зоны разрушения материала. Действительно, в области г > К* движение среды стабилизировано по параметрам взрывного сигнала и скорости распространения максимума волны сжатия (она равна скорости звука в среде). Последнее приводит к постоянству времени нарастания 0 с расстоянием (см. рис. 1.3), что возможно только при упругом поведении материала среды. Однако имеющиеся малые отклонения от классической упругости существенно сказываются, например, на степени затухания волны по максимальной массовой скорости, которая не соответствует упругому поведению материала (в упругости степень затухания р - 1).

Разрушение твердых сред под воздействием взрывной нагрузки заключается в нарушении связности отдельных элементов

среды 邮ежду собой, . что и определяет в итоге блочный состав разрушенной породы при подземном взрыве. Сразу же следует отметит^, что расчленение породы на отдельные несвязные элементы не всегда приводит к их "свободному” распаданию по образовавшимся поверхностям нарушения.

При камуфлетных взрывах в отсутствие поверхностей раз-" грузки большие деформации, сопутствующие взрывному движению^ а также остаточные напряжения могут привести к достаточна плотной упаковке отдельных элементров разрушенного в целом горного массива. В то же время нарушение связности массива, вносимое в сплошную среду взрывным возмущением, проявляется в изменении основных физико-механических свойств среды» Установлено, например, падение скорости распространения возмущений в среде, разрушенной взрывом, увеличение пустот* ности, а также проницаемости горной породы, не говоря уже об изменении структуры горного массива вследствие поведени# новых 耳 раскрытия первоначально имеющихся трещин.

Однако несмотря на достаточное количество проявлений взрывнор разрушения массива, характер разрушения при взрн-“ ве, определяемый в значительной мере свойствами материала среды и геологическим строением самого массива при натурный взрывах, описать однозначно не удается. Сеть трещин прн крупномасштабных взрывах и видимые изменения материала при лабораторных экспериментах не могут дать представления 出 характере разрушения твердой среды. Помимо этого присут-" ствуюпщй при описании разрушения фактор условности в самом определении понятия ^*paзpyшeниe^^ часто препятствует выработке единого мнения среди специалистов при описании конк-； ретных нарушений в среде.

Тем не менее в описании взрывного разрушения существует устоявшейся подход к оценке размеров зоны разрушения и основным изменениям, происходящим в твердой среде при взрыве. Так, например, помимо непосредственного исследования породного массива для оценки размеров зоны разрушения можно во- <:пользоваться 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 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 &, энергия, расходуемая на нагрев вещества в процессе деформирования разрушенного материала - 70% Ео, е квазиупругую область сигнал уносит до 10% 七。[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-

дуемой на дробление, и конечным распределением отдельностей по размеру важно знать, является ли процесс фрагментации проявлением скрытых неоднородностей среды (ослаолений) или это возникновение неоднородностей в первоначально однородной по структуре среде. Ответить на этот вопрос в настоящий момент, к сожалению, нельзя.

Следует отметить различие в характере нарушенности различных сред при взрывном воздействии. Так, при взрыве в канифоли среда в зоне разрушения легко разбивается на структурные отдельности. При взрыве в тиосульфате натрия расчленение разрушенного материала затруднено, однако путем микроскопирования 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 разрушения практически не выделяется.

В связи со сказанным можно сделать заключение, что индивидуальные особенности материала среды существенным образом сказываются на структурном состоянии среды в области взрывного разрушения.

Волновой характер взрывного воздействия приводит к распространению разрушения в среде с некоторой конечной скоростью при наличии четко выделяемого фронта. Падение 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 & останавливается.

Как видно из рис. 1.11, сферически симметричное развитие явления при камуфлетном взрыве приводит к образованию симметричной по форме зоны разрушения. Наличие свободной поверхности вызывает существенную асимметрию в формировании зоны разрушения, что в конечном итоге сказывается на ее конфигурации.

С целью установления качественных зависимостей и, в какой-то мере, пространственно-временных характеристик процесса разрушения при взрыве вблизи свободной поверхности проводилось исследование взрыва микрозаряда тэна в монолитных блоках плексигласа размером 15x18x18 см. Механические характеристики используемого плексигласа соответствовали характеристикам материала, используемого ранее при определении волновых параметров взрывного воздействия.

Установка для наблюдения явления схематично изображена на рис. 3.1. Разрушение фиксировалось в проходящем свете с помощью скоростного фоторегистратора (СФР), работающего в режиме как покадровой, так и непрерывной развертки. Блок с зарядом располагался так, чтобы помимо заряда, устанавливаемо-

Рис. 3.1. Схема опыта:

2 - модельный блок; 2 - заряд ВВ;

свободная поверхность; ， - источи

света; 5 - рассеивающий экран

Рис. 32 Годографы волны сжатия (и产мк волна • J, /' и отраженная • 2, 2*).

фронта разрушения /центральной зоны - 4 откольной - 3, 5, 7 - годопМ стенки полости, 6 - область разрушенно 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 порошкооб разного гексогена и алюминиевой стружки. Вместо конденсор “применялся рассеивающий экран из тонкой бумаги. 力

Результаты обработки экспериментов приведены на рис. 3；2 Сплошные линии соответствуют взрыву заряда массой 7,8 • 10| кг на глубине Л « 5/?0, пунктирные - взрыву того же заряда * глубине Л = ЗКо・

В отличие от камуфлетного взрыва при взрыве в присутствий свободной поверхности помимо центральной (сферической) зон разрушения, возникающей в непосредственной близости от з“ ряда, образуется область разрушения материала вблизи св бодной поверхности, что приводит к вытягиванию зоны paq рушения вдоль оси z в более поздние моменты времени. ДС палнительное по сравнению со случаем Т) —* со разрушеш вызывается хорошо известным явлением откола, а точнее мн, жественного откола, когда каждая из образующихся разгр^ женных в процессе разрушения поверхностей становится исто* ником последующих отколов.

Более подробный анализ показывает, что одновременное cj ществование зон откольного и центрального разрушения всзмо* но только при 7)> 3. При взрыве заряда с относительным q глублением 7)=« 3 в области между зарядом и свободной повер! ностыо центральная зона разрушения не успевает образоваться так как к полости подходит зона откольного разрушения (cs рис. 3.2).

Зоны откольного и центрального разрушения, распространяясь в пространстве, движутся навстречу доуг другу, затем ^хиваются, и только после этого начинает формироваться шейка разрушения в материале, непосредственно прилегающем к свободной поверхности, что вызывается интенсивным движением разрушенной среды в сторону свободной поверхности.

Совместное рассмотрение отдельных этапов формирования зоны разрушения при малозаглубленном взрыве и скорости движения свободной поверхности позволяет сделать некоторые выводы. На рис. 3.3 приведена осциллограмма скорости движения свободной поверхности вдоль оси z, полученная электромагнитным методом измерения массовых скоростей [64]. Наряду с первым максимумом, связанным с выходом волны сжатия на свободную поверхность, наблюдается второй, меньший по амплитуде. Анализ показывает, что второй максимум совпадает по времени с началом образования шейки разрушения, т.е. выходом разрушения на свободную поверхность. Начало подрастания массовой скорости в промежутке между максимумами соответствует появлению зоны откольного разрушения.

・ О ПРИМЕНИМОСТИ УПРУГОЙ МОДЕЛИ СРЕДЫ ПРИ АНАЛИЗЕ ВЗРЫВА

Рассмотрим простейшую задачу: в упругом безграничном пространстве с коэффициентом Пуассона и ■ 1/3 в полости радиусом 力 в момент времени £ ■ 0 мгновенно возникает давление Рм, которое затем остается постоянным. Результаты расчета радиальных (гг и азимутальных <г^ напряжений в 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 予 2гэ・ В опыте центральная зона интенсивного разрушения имела размер около 4「з・ Из расчета также следует, например, что на расстоянии г 匸 Югз длина фазы сжатия в волне 入+ ■ 1,3力(по радиальной компоненте). В опыте при “ = 10 толщина откола окало 2门, следовательно,入+ > 4门・ Такое различие между опытом и расчетом, а также разогрев материала и наличие неупругих деформаций (разрушений) вокруг полости свидетельствовали о том, что упругая модель не может быть применена для 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 качественное соответствие между результатами расчета и опытом можно получить, если принять за радиус источника упругих колебаний F .= 2,5力.Отсюда следует, что пластическое течение материала, наблюдаемое при камуфлетном взрыве, приводит к увеличению эффективного радиуса источника в упругой модели.

Некоторые эффекты по влиянию центральной зоны разрушения могут быть оценены из рассмотрения аналогчной статичрско® задачи (т.е. прн f f w). Из теории упругости для этогд случая известны выражения для * радиальных и азимутальные напряжений

% =尸H(q")，0VHi (q〃)3.

Расчет радиуса зоны разрушения при таком распределении на пряжений и без учета изменения свойств материала послр еп разрушения дает слишком заниженный результат по сравнению 4 опытом. Если же предположить, что среда внутри этой зонр за： ранее разрушена радиальными трещинами, то распределение на пряжений примет вид:

°\ = рн(гз/г)2>°广 °

и конечный радиус зоны трещиноватости

』=从考丁) ;

где <гр - прочность материала на растяжение. В случае т^лек^ сигласа сгр = 50?70 МПа и зарядов тэна при р3 = 1,4 工/c弟 Рн * 104 МПа получим Rt - 8-^Югз, что соответствует экспериментальному значению к中 =7子9门.

Таким образом сравнение расчетов по упругой модели и опытных данных показало, что пространственно-временные ха■:"

Рис. 3.4. Распределение радиальных напряжения за фронтом волныРис. 3.4. Распределение радиальных напряжения за фронтом волны

Рис. 3.4. Распределение радиальных напряжения за фронтом волны

Рис. 3.4. Распределение радиальных напряжения за фронтом волны

рактеристики процесса разрушения существенно зависят от поведения материала вблизи очага взрыва. Наличие пластической зоны деформирования вокруг полости эквивалентно увеличению размеров источника, излучающего упругую волну.

・ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ВЗРЫВА

Большие напряжения, достигаемые в зоне неупругого деформирования подземного взрыва, неизбежно приводят к интенсивным диссипативным процессам, следствием чего является значительное повышение температуры деформируемой взрывом среды. Исследования, проведенные в ближней к очагу взрыва зоне, показывают, что температура горной породы остается весьма 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 указанных экспериментах представлены ниже.

Порода ГранитСольТуф

Плотность, кг/м3 267022001850

Пористость, %0,9332

Влажность, % 0,91,015

Измерение температур проводилось с помо1цью скважин спустя несколько месяцев с момента взрыва [83]. Данные, полученные на расстояниях, меньших радиуса полости, соответствуют 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 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 АТ(г) легко подсчитать энергию, оставшуюся в виде тепла в слое вещества толщиной dr:

Q(r) = 4itp№fAT, (3.1) гце эе - 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% Е).

Таблица 3.1

Максимальные температуры, зарегистрированные в среде при некоторых подземных ядерных взрывах

Эксперимент

Среда

Мощность взрыва, кт

Глубина взрыва, м

Макси* мальная температура, С

Время проведения измерений (после взрыва, мес)

Тамалпейз

Туф

0,072

100

53

3

Рейниер

1,7

240、

94

5

Гном

Соль

3

361

83

6,5

Хардхэт

Гранит

5

286

88

11

Лбан

Туф

5

253

85

6

Шоул

Гранит

12

367

599

2,5

Если предположить, что все тепловые потери, связанные 囈 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 (12-14) R. Напомним,

Рис 3.5. Темперлура среды при подземном Ядерном взрыве в зависимости от приведенного расстояния； экспериментальные данные при взрывах：

丿-"Гном” (измерения спустя 6 мес после взрыва); 2 - "Шоул" (спустя 2,5 мес); 3 - "Хардхзт” (11 мес)

Рис. 3.6. Остаточные температуры среды при модельном взрыве в тиосульфате [63]

рис. 3.7. Количество энергии, диссипированной в слое вещества толщиной dn

/ - по результатам измерения остаточных температур; 2 - расчет ^ - 0,4； 3 - расчет при т^ - 0,6

что радиус зоны разрушения, оцененный по измерениям массовых скоростей, составил для тиосульфата натрия 12,5贝о. 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 перенесенных ею в волне сжатия нагрузок представляет интерес рассмотреть напряжения, достигаемые при взрывном воздействии.

Вопрос о поведении вещества в зоне больших неупругих деформаций подземного взрыва рассматривался авторами преимущественно с точки зрения определения значения диссипируемой энергии. В настоящей работе поставлена другая задача: определить напряженное состояние среды при взрыве, исходя из известных потерь энергии. Результаты измерения параметров волны сжатия и имеющиеся данные о величине остаточных 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 детонации не успевают проникнуть за пределы камуфлетной полости.

В дальнейшем понадобятся для вычислений значения функции (3.1). Вид зависимости Q(r), полученный с использованием величины остаточных температур (см. рис. ,3.6), приведен на рис. 3.7 в виде сплошной линии.

Для описания движения среды за фронтом волны воспользуемся сферической системой координат с центром в центре заряда. Следует объхеннть, что имеется в виду под фронтом волны ежа- тня. На эпюрах массовых скоростей не наблюдается фронтов и Упругих пред вестни ков. Предвестник связан непрерывным нара- ьанием с максимумом массовой скорости. А так как отличие в скоростях распространения вступления и максимума волны со-

ставляет величину не более 15% скорости распространение 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 понимать поверхноаь г = К, на которой среда обладает макси- мальной на данном расстоянии от взрыва массовой скоростью.

После сказанного можно считать, что на фронте волны выполняется интегральное соотношение

^Г в ^ю " -povo^⑶2)

где сг产- радиальная компонента тензора напряжений.

Здесь следует сделать небольшое отступление. Соотношение (3.2) справедливо, вообще говоря, только для стационарные переходов, структура которых близка к ударному разрыву. Пр» непрерывных переходах, когда массовая скорость плавно нарастает от нуля до Vo, соотношение (3.2) может рассматриваться лишь в качестве приближения. Предположим, что в интервале 0 < w < О, где О - время нарастания массовой скорости до максимального значения, скорость среды описывается зависимостью

у «= i^sin(nw/20); з = £ ・ г/с*

Определяя смещение среды

и =智(1 - COS 噥

и привлекая для оценок соотношение упругости (1.7) совместнс с результатами эксперимента

.. --По л

получаем при сделанных предположениях более точное соотношение

% = ~%%с J + (% + % ・罟)与｝.:

Оценки с использованием конкретных значений параметро! по,加о, V и временных характеристик волны сжатия показываю! что отличие сг^, вычисленного по последней формуле, от зна чений, полученных с использованием зависимости (3.2), в превышает 15% (с учетом изменения величины 0), Посколы^ проводимые далее оценки не требуют большой точности, да| расчетов будем привлекать соотношение (3.2), что заметно уп рощает решение.

Вернемся к исходной задаче. Подставляя зависимости (1.1

и (L2) в уравнение движения

р号 + i 冃片 н а7~ + "г^г - %),

получаем в предположении р * const = ро：

」工工 М 一2(1 - w )土— - ( 20 ：无 0)0立？_0/ к" 0 +1 . . 厶红显疋_^1

(3.3) тензора напряжений; через(3.3) тензора напряжений; черезв единицу времени в слоев единицу времени в слоеdr<г гJo/о+1

(3.3) тензора напряжений; через

(3.3) тензора напряжений; через

в единицу времени в слое

в единицу времени в слое

где сг^ - азимутальная компонента 加屮 обозначено отношение ^力/、

Работа внутренних напряжений вещества толщины dr составляет

碧一 н 4Mв/普 + 2加в 十)• (3.4)

Если теперь к уравнениям (3.3) и (3.4) добавить связь между е@ и % млн, что то же, задаться величиной 足夕,можно определить зависимости “г, К) и Q(r)・ В частности, при решении задач часто применяется условие пластичности Кулона в виде

- mq - 0, 加小=const.

屮 G г 、 (Г,

В этом случае уравнения (3.3) и (3.4) легко интегрируются и решение выписывается в явном виде. Действительно, с помощью ранее записанных соотношений (1.1) и (3.2) получаем

几 о - - £ о З-по.гт^几 о - - £ о З-по.гт^XPoVoC +XPoVoC +ооКККт^+Ло -1)Кт^+Ло -1)A" 3-n0-2m+ ：n - ЛоA" 3-n0-2m+ ：n - Ло2&)2&)XXААRR2(1一叫?2(1一叫?2(F2(Fр0宏р0宏XX

几 о - - £ о З-по.гт^

几 о - - £ о З-по.гт^

XPoVoC +

XPoVoC +

о

о

К

К

Кт^+Ло -1)

Кт^+Ло -1)

A" 3-n0-2m

+ ：

n - Ло

A" 3-n0-2m

+ ：

n - Ло

2&)

2&)

X

X

А

А

R

R

2(1一叫?

2(1一叫?

2(F

2(F

р0宏

р0宏

X

X

При /г。= 2,2;疋。н 1,4 и 加夕 =0,4 написанная зависимость принимает простой вид

% = -р。%с 囹 。" + 0,88* 小广-僧广］.

Интегрирование уравнения (3.4) следует проводить с учетом энергии, диссипированной на фронте волны. Условие необратимости деформирования при ударном переходе формулируется следующим образом

r * Л; Q(r)=2叩产成

В результате интегрирования (3.4) с использованием (1.1), (1.2) и последнего соотношения получаем

Q（"夜J/M.2）卜* .閉（…。）+

где т - длительность волны сжатия в зоне разрушения взрыв 企 * 2 np °(% - 2%)/(3 -勺・ 2^);倉 м 2про*оао - 2烧6 /(% + % 一 D；

夕 н ,2no + 2加6 - io - 3; 5 * 2p + 2mb - Ло - 3; £ = 2加 -2Ло - 1 j эс в Зр - 3%о ■ 1 *

Значения величины Q(r), подсчитанной для 加^ = 0,4 и т. 06, приведены на рис. 3<7 в зависимости от расстояния : взрыва г. Из кривых рис. 3.7 видно, что найденные при т^ const значения функции Q(r) существенно отличаются от сво значений, вычисленных по остаточным температурам. Прич^ можно сделать предварительный вывод о том, что с увеличен^ расстояния г (при падении величины радиального напряжена отношение /п^ должно падать и наоборот. ；

Далее будем искать величину т^ в виде функций раднальнс 68

Rhc. 38 Распределение радиальных напряжений за фронтом волны (положение фронта обозначено вертикальными сплошными линиями)： ,'-расчет по тепловым потерям; 2 - расчет при т^ - 0,4Rhc. 38 Распределение радиальных напряжений за фронтом волны (положение фронта обозначено вертикальными сплошными линиями)： ,'-расчет по тепловым потерям; 2 - расчет при т^ - 0,4Рис, 39 Отношение главных напряжений в среде при взрывеРис, 39 Отношение главных напряжений в среде при взрывеРис. 3.10. Радиальные напряжения в солне сжатия со временем при взрыве заряда массой 7,8 • 10-4 кг в тиосульфате на расстояниях 0,03 м ⑺ и 卒04 м (2)

Rhc. 38 Распределение радиальных напряжений за фронтом волны (положение фронта обозначено вертикальными сплошными линиями)： ,'-расчет по тепловым потерям; 2 - расчет при т^ - 0,4

Rhc. 38 Распределение радиальных напряжений за фронтом волны (положение фронта обозначено вертикальными сплошными линиями)： ,'-расчет по тепловым потерям; 2 - расчет при т^ - 0,4

Рис, 39 Отношение главных напряжений в среде при взрыве

Рис, 39 Отношение главных напряжений в среде при взрыве

напряжения, не задаваясь условием, в「и(?「. Чтобы замкнуть систему пластичности привлечем функцию

регулирующим связь между уравнений, вместо условияQ(r), выраженную черезрегулирующим связь между уравнений, вместо условияQ(r), выраженную черезостаточные температуры в среде с помощью зависимости (3.1). В этом случае совместное численное интегрирование уравнений (3.3) и (3.4) с учетом (3.2) и условия необратимости деформирования на фронте'

регулирующим связь между уравнений, вместо условия

Q(r), выраженную через

регулирующим связь между уравнений, вместо условия

Q(r), выраженную через

г = R：Q(r) = -2ягг(гн)у0/с

дает вид функции /м^Ль丿 и одновременно распределение напряжения сг尸 за фронтом волны.

При вычислениях в качестве начального приближения выбирались значения т^(^г), полученные в результате расчета в предположении m^ = const. Результаты расчетов приведены на рис. 3.8 и 3.9. На рис. 3.8 для сравнения приведены распределения <гг(г), вычисленные при m^ const = 0,4.

Из приведенной на рис. 3.9 зависимости видно, что отношение * 6@，°7 увеличивается при повышении абсолютной величины и стремится к единице при |сг | 4ГПа. Примечательно, что значение 4ГПа примерно соответствует величине OJpod для тиосульфата натрия, т.е. прочности монокристалла.

Существенно, что распределение %(г), полученное расчетом с 加^ = const и m^ = т^д) заметно отличаются. Это говорит о том, что при оценках напряженного состояния соеды в зоне разрушения пользоваться зависимостью % = const ^г нельзя. Необходимо вводить поправки, учитывающие изменения в завися- мости ь@((г) с расстоянием до взрыва.

Одним из наиболее важных вопросов при рассмотрении напряженного состояния среды при взрыве является вопрос об остаточных напряжениях в среде после окончания движения. Полученные распределения <г尸(г, R) позволяют определить остаточные напряжения с расстоянием от взрыва. На рис. ЗЛО приведено изменение радиального напряжения 0*^ со временем на некоторых 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"5 с), среда нахо* дится в поле достаточно высокого радиального напряжения, со* ставляющего величину до 45% 行尸,

・ ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА

НА ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАЗРУШЕННОЙ СРЕДЫ

Блочное строение твердой среды, разрушенной в результата взрывного воздействия, характеризуется распределением nq размеру образовавшихся отдельностей. Непосредственное изучен ние гранулометрического состава проводится на основе разра** ботанных 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 q

928985767057372517928985767057372517898580705540155 2898580705540155 2Таблица 3.2

928985767057372517

928985767057372517

898580705540155 2

898580705540155 2

Гранулометрический сортав взорванной массы

X, м

Весовая доля отдельностей, размер которых превы- тает %

**Пайлдрайверм

”Деннн-Еой"

результате камуфлегного взрыва "Пайлдрайвер” эквивалентной мощностью 60 кт, и навала породы, образовавшегося в результате эксперимента "^еинн-Вс计” (эквивалентная мощность взрыва 0,42 кт [88].

Аналитическое построение функции распределения отдельностей по размеру требует привлечения конкретных вероятностных представлений относительно механизма разрушения горной породы. Наиболее часто употребляемыми в. практике взрывного дела являются логнормальное распределение

2

一-工 1 ■『ехр (—у"!力(3・5)

Шо 而《 I 2丿

и распределение Роз^на-Раммлера

= ехр р (马?，(3.6)

где т+(х) - масса отдельностей, размер которых превышает х; wo - общая масса ^сследуемой породы; у = (1пл - Inxw)//; Хоо, сто, Ло и « - параметры соответствующих распределений, причем хоо и хо характеризуют степень дробления, а <г0 и и - его равномерность.

В качестве иллюстрации на рис. 3.11 и ЗЛ2 приведены результаты обработки данных табл. 3.2 в спрямляющих координатах, характерных для логнормального распределения и закона Розина-Раммлера. Н^ рис. З.П-ЗЛ2 видно, что в отличие от логнормального распределения зависимости, описывающие гранулометрический сосгдв в координатах закона Розина-Раммлера, являются практически линейными. Это свидетельствует о том, что для описания гранулометрического состава, образующегося в результате крупномасштабного воздействия, более приемлемым

Рис 3.12. Гранулометрический сос« тав взорванной массы в спрямляющих координатах, характерных для рас пределения (2.6) (обозначения см? рис 3.11)Рис 3.12. Гранулометрический сос« тав взорванной массы в спрямляющих координатах, характерных для рас пределения (2.6) (обозначения см? рис 3.11)

Рис 3.12. Гранулометрический сос« тав взорванной массы в спрямляющих координатах, характерных для рас пределения (2.6) (обозначения см? рис 3.11)

Рис 3.12. Гранулометрический сос« тав взорванной массы в спрямляющих координатах, характерных для рас пределения (2.6) (обозначения см? рис 3.11)

Рис* 3.11* Гранулометрический состав взорванной массы в спрямляющих координатах^ характерных для распределения (2.5):

7 и 2 - соответственно эксперименты мПайлдрайверп и пДени-Бойм

явлиетсл закон Розина-Раммлера. В дальнейшем при описанш 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 дроб| ления породы при взрыве не зависят от выбора вида веро对 ностного распределения.:

Зная относительный вклад каждой фракции Аш (х), легко уС тановить средний размер отдельности?

<х> к £ xhm(x)t(3.7,

где суммирование производитсяповсем размерам имеющих^

фракций. В том случае, когда вклад конкретной фракции Лт х известен, а известен групповой вклад фракций (ситовый ан* лиз), величина <х> определяется по параметрам распределен! (3.6) следующим образом [28]:

<х> к &「(1 + "Н‘(3 8)'

где「(1 + -^ - гамма-функция соответствующего аргумента

Результаты обработки имеющихся данных по гранулометрий скому составу породы при крупномасштабных и модельных взр вах приведены на рис. 3.13 и ЗЛ4 в виде зависимое^ <х>(^) и %(q).

Из рис. 3.13 видно, что средний размер образовавшихся巾

<х >,м<х >,мРис. 3.13. Средний размер отдельности в среде, разрушенной взрывом： / - взрывы химического ВВ; 2 - подземные ядерные взрывыРис. 3.13. Средний размер отдельности в среде, разрушенной взрывом： / - взрывы химического ВВ; 2 - подземные ядерные взрывыРис. 3.14. Показатель распределения Розина-Раммлера для горной массы, разрушенной взрывом (обозначения см. рис. 3.13)Рис. 3.14. Показатель распределения Розина-Раммлера для горной массы, разрушенной взрывом (обозначения см. рис. 3.13)

<х >,м

<х >,м

Рис. 3.13. Средний размер отдельности в среде, разрушенной взрывом： / - взрывы химического ВВ; 2 - подземные ядерные взрывы

Рис. 3.13. Средний размер отдельности в среде, разрушенной взрывом： / - взрывы химического ВВ; 2 - подземные ядерные взрывы

Рис. 3.14. Показатель распределения Розина-Раммлера для горной массы, разрушенной взрывом (обозначения см. рис. 3.13)

Рис. 3.14. Показатель распределения Розина-Раммлера для горной массы, разрушенной взрывом (обозначения см. рис. 3.13)

результате разрушения массива отдельностей ведет себя немонотонно при изменении масштаба взрыва. Если при взрывах малого количества ВВ (10'2 кг《g W 102кг) средний размер отдельности возрастает с увеличением массы заряда:

<х> н 0,23炉35 м ([д] = кг), (3.9) то при крупных взрывах (^ > 103 кг) средний размер отдельности в разрушенной среде слабо изменяется согласно зависимости

<х> н 0,42д °叱 м ([q] н кт). (ЗЛО)

Некоторые соображения качественного характера относительно механизма разрушения горной породы при взрывах разного масштаба позволяют интерпретировать общий ход зависимости <х>(д) на рис. 3.1 ЗДействительно, наибольшие деформации материала среды на близких расстояниях от взрыва достигаются после прохождения фронта волны [69]. При этом возможен про- це(х дробления среды внутри области, охваченной фронтом волны (множественное трещинообразование). Привлекая для оценок критерии геометрического подобия параметров взрывного движения, легко получить, что при дроблении породы в процессе ее деформирования за фР°нтом волны средний размео отдельности должен возрастать с ростом масштаба взрыва как 产.Естественно- предполагать (и это не лишено оснований [69], что указанный механиз дробления осуществляется при взрыве зарядов с малой энергией. Последнее полностью подтверждается зависимостью (3.9),

В случае крупномасштабных взрывов разрушение породы 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 параметр должен учитываться только в том случае, если он 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 напряжений. При условии, что среда однородна, средний размер отдельности при взрывах разного масштаба определяется значением напряжений, достигаемых в волне. Отсюда следует, что в пределах объема, пропорционального мощнсхгги взрыва, интегральный гранулометрический состав взорванной массы не должен зависеть от масштаба воздействия. Учитывая, что на фиксированных расстояниях от взрыва амплитуды волны пропорциональна 勺处戶,ще ло - степень затухания волны (по 农 1,6), а максимальные перемещения пропорциональны才戶,полу

чаем, что в реальном случае размер отдельности должен несколько уменьшаться с ростом д, вследствие дополнительного дробления горной породы в объеме (результат поршневого А#действия продуктов взрыва). Причем вклад указанной добавки возрастет с увеличением масштаба взрыва как 产恤‘乃 Сказанное полностью соответствует зависимости (3.10).

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 многократному разрушению. Вследствие этого при взрывах малого масштаба наблюдается более равномерное дробление породы по сравнению с крупномасштабным взрывом» когда дробление среды осуществляется в основном на "фронте" волны, в результате чего превалирует однократный процесс трещинообразования. Иллюстрацией к сказанному является .характер изменения параметра равномерности дробления среды 石 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 отметить, что равномерность дробления практически не зависит от мощности взрыва в весьма широком диапазоне q, начиная с ^ « 102 кг. Последнее значительно упрощает прогноэтические оценки гранулометрического состава крупномасштабных взрывов, поскольку с достаточной для практических целей точностью можно положить п = const К 0,8.

Падение интенсивности взрывного воздействия с расстоянием, вызванное геометрическим расхождением волны сжатия и диссипативными потерями энергии, приводит к изменению гранулометрического состава взорванной породы по мере удаления от места взрыва. Если вблизи камуфлетной полости, где массив претерпевает значительные по величине абсолютные деформации, 74

Рис. 3.0・ Средний размер отдельности в мае- <х> м сиве, разрушенном крупномасштабным взрывом 2,0г эквивалентной мощностью 2 кт

достигается высокая степень дробления породы и средний размер отдельности составляет около 2* 10"2 м, то вблизи границы зоны разрушения размер куска приближается к размеру 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 разрушенного взрывом массива с помощью методики, подробно описанной в разд. 2.6.

С целью установления более детальных характеристик разрушения среды при подземном взрыве проводился лабораторный эксперимент по определению гранулометрического состава материала на разных расстояниях от взрывного источника. В качестве отдельной среды использовалась канифоль - хрупкий, легко разрушаемый материал, удобный при проведении ситового анализа. В данном случае канифоль выбрана не случайно. Помимо того, что указанный материал обладает высокой способностью к дроблению, не составляет труда разобрать разрушенное вещество на отдельности по трещинам, которые отчетливо просматриваются* Контроль за качеством разделения разрушенной канифоли на отдельности облегчается тем, что каждая отдельность по себе прозрачна.

Рассев разрушенной в результате взрыва канифоли проводился с помощью набора сит с размером ячеек от 5* 10*5 до Ю'2 м. Помимо просеивания всей массы разрушенного материала

(радиус зоны легко разбираемого материала составляет около 0»9Лф, К. для кани(|х1ли составляет 25Ko [68]) проводилось выборочное исследование вещества, расположенного на 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* 10'4 кг плотностью 1500 кг/м3. Там же для сравнения приведены ре-^ зультаты просеивания всего объема разрушенного материала.

Проведенные исследования показывают, что при анализе гранулометрического состава взорванной массы с достаточной для практики точностью можно пользоваться распределением Рози-； на - Раммлера. При этом распределении отдельностей по размеру как на разных расстояниях от взрыва, так и в сумме, характеризуются примерно одним и тем же значением параметра ' равномерности л. Из этого следует, что дисперсионные ха-； рактеристики гранулометрического состава взорванной массы； определяются только общими условиями взрыва. Последнее утверждение существенно облегчает анализ взрывного разрушения,» поскольку из числа параметров, определяющих дисперсию гранулометрического состава, можно априори исключить те, которые являются функцией расстояния до взрыва (амплитудЦ нагрузки, величина остаточной деформации и т.п.).

Разрушение среды при взрыве приводит к образованию трещин, разделяющих отдельности. Это в свою очередь ведет М 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 ро и р обоз* качены плотность среды соответсвенно до и после взрыва. Для оценок положим

-(р - Ро)/Ро ■ €iSi,

гце £1 - просвет разделяющей трещины； Si - общая поверхносп всех отдельностей в единице объема разрушенного вещества 届 данном расстоянии от взрыва, причем [107]

& = 士「(1 - 4~)・

В качестве иллюстрации на рис. 3.17 приведена величин! (Р ■ Ро)/。。，полученная в результате оценок по данным гра нулометрического анализа. При оценках предполагалось, s раскрытие трещин Ei постоянно на всех расстояниях от взрыв и принимает значение 1,6* 10-6 м. Для сравнения на рис. З.Г приведены данные, полученные в работе [68] на основе из мерения поля массовых скоростей в канифоли. Совпадение результатов подтверждает правильность сделанных предположений^

Рис. 3.17. Разуплотнение канифоли после взрыва:I - оценки по гранулометрическому составу; 2 - до остаточным перемещениямРис. 3.17. Разуплотнение канифоли после взрыва:I - оценки по гранулометрическому составу; 2 - до остаточным перемещениямРо二 Р ®；hРо二 Р ®；h

Рис. 3.17. Разуплотнение канифоли после взрыва:

I - оценки по гранулометрическому составу; 2 - до остаточным перемещениям

Рис. 3.17. Разуплотнение канифоли после взрыва:

I - оценки по гранулометрическому составу; 2 - до остаточным перемещениям

Ро二 Р ®；h

Ро二 Р ®；h

Pkg 3“ & Гранулометрический состав канифоли, разрушенной взрывом заряда ^ассой 4 • 10~4 кп / * на расстоянии 0,02 м от взрыва; 2 - на расстоянии 0,035 м; 5 - суммарный 『гранулометрический состав

Всесторонее изучение взрывных процессов в твердой среде * и одновременная регистрация самых разных параметров взрывного воздействия позволяют сделать ^ажный вывод о невозможности описания пространственно-временных 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 имеющимися в литературе данными. Это в свою очередь не позволяет устанавливать момент разрушения среды по кинематическим параметрам. Кроме того, большое разнообразие материалов, горных пород и условий взрывания - все это не дает возможности говорить определенно о структуре вещества, разрушенного взрывом, исходя из картины механического движения и динамики развития зоны разрушения. Чтобы сделать это, требуется решить ряд сложных задач, связанных с установлением поведения материала среды до наступления разрушения и поведением разрушенной среды в запредельной области.

Результаты лабораторных исследований, проведенных с целью установления поведения среды в ближней зоне подземного взрыва, показывают, что для получения данных о степени нарушен- ности реального горного массива при крупномасштабном взрыве недостаточно знать параметры взрывного движения среды в от-

дельных ее токах. Для получения сведений о структуре нарушенного массива необходимо либо многоточечное фиксирование параметров с анализом особенностей движения каждой отдельно взятой части среды (отдельности) и последующе曲 статистической обработкой полученных данных, либо проведение 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 степень дробления среды. Напомним, что исследование абсолютных характерстик разрушения，на модельной среде весьма малоин- формат^вно вследствие возможных качественных отличий при разрушении модельных и натурных сред. Однако весьма 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 качественно оценить эффекты, но дает возможность получить некоторое количественные характеристики, которые можно 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 полости1 радиусом 1,5 радиуса заряда (эффективная плотность заряжания составляет 440 кг/м3) и взрыва иаенпного заряда плотностью 400 кг/м3.

Следует отметить, что средний размер отдельности, полученной 'в результате просеивания всего объема разрушенного веществу практически совпал для всех трех случаев, что объясняется преимущественным вкладом области, близкой к границе зоны разрушения, гце средний размер отдельности не чувствит'елен к условиям взрывания заряда.

Значения <х>, полученные в реаультате обработки гран- составов,' локализованных на различных расстояниях от взрыва, приведены на рис. 3.18. В качестве параметра подобия выбран радиус зрнн разрушения. Опыты показали, что для взрывов заряда массой 4 • 10'4 кг и плотностью заряжания 1500, 400 (связанные ^зрывы) и 440 кг/м3 (взрыв в полости) величина R* составляет соответственно 0,1, 0,06 и 0,075 м. Из рис. ЗЛ8 видно, что все значения <л> (м) с точностью до 20% группируются вокруг единой зависимости, которая представлена в виде

<х> = 4号10-3("k产 (3.11) 78

рис з.1& Зависимость среднего раз- мер； отдельности от расстояния при взрыве зарядок„..

/ _ pi ■ 400 кг/м3 (связанный); 2 - 6 - 1500 кг/м3 (связанный); 3 - Pi ■ 匚 440 кг/м3 (в воздушной полости)

Отсюда следует, что на границе зоны разрушения г = & вне зависимости от условий взрывания заряда величина <х> принимает одно и то же значение * 5* 10~3.

Описание результатов всех трех взрывов единой зависимостью (3.11) не означает, что изменение условий взрывания не сказывается на гранулометрическом составе разрушенной среды. Действительно, поскольку уменьшение плотности заряжания приводит к уменьшению радиуса зоны разрушения (см. рис. 1.31), на одинаковых абсолютных расстояниях от взрыва менее плотное заряжание обеспечивает больший размер отдельности. Это хорошо видно из данных, приведенных в табл. 33 Уменьшение эффективной плотности заряжания существенно сужает зону переизмельчения материала среды при взрывном разрушении.

Вопрос о поведении среды и, в частности, гранулометрическом составе разрушенного материала при взрыве в воздушной полости достаточно сложен. Тем более интересно выявить особенности разрушении среды при взрыве зарядов с воздушными промежутками.

Таблица 3.3

Средний размер отдельности в среде с расстоянием при взрывах разной платности заряжания

Плотность заряжания, кг/м3

0,02

0,03

0,04

0,05

1500 (связанный)

0,019

0,04

0,07

0,11

400 (связанный)

0,45

0.1

0,2

0,28

440 (в полости)1

0,03

0,08

0,15

0,25

состав Kami- заряда ВВ всостав Kami- заряда ВВ вРнс. 3.20. Параметр дробления среды при душной полостиРнс. 3.20. Параметр дробления среды при душной полостиравномерности? взрыве в воз* '

состав Kami- заряда ВВ в

состав Kami- заряда ВВ в

Рнс. 3.20. Параметр дробления среды при душной полости

Рнс. 3.20. Параметр дробления среды при душной полости

На рис. 3.19 приведен гранулометрический состав разрушен* ной канифоли при взрыве заряда массой 4 ТО-’ кг плотностыа 1500 кг/кг в воздушных полостях радиусом 1,25Ко и 2Ko. И( рис 3.19 видно, что» несмотря на близость гранулометрических составов, полученные распределения заметно отличаются дисперсией (значением параметра л), ^олее подробный анализ показывает, что в промежутке 1 < g < 2 параметр равномерно^ сти дробления п ведет себя не монотонно (рнс. 3.20). Данный рис. 3.20 свидетельствуют о положительном эффекте, вносимом воздушным промежутком: применение небольшого по объему про? межутка приводит к более равномерному дроблению средн； причем оптимальной является полость с относительным размер ром g к 1,25.

На первый взгляд мзмение параметра п не представляете! значительным. Однако анализ указывает на заметное изменени

рис. 3.21. Доля иизбыточнойи поверхности, образовавшейся вследствие неравномерности дробления при взрыве в воздушной полости

общей поверхности отдельностей (свободная поверхность, образованная при разрушении) даже при малом увеличении параметра п.

Общая поверхность всех отдельностей в объеме V определяется выражением

Оптимальное дробление осуществляется в том случае, когда материал среды разрушается, на куски одинакового размера <х>. При этом поверхность отдельностей в объеме S* * V(<x>) K

Относительная доля **избыточнойм поверхности, образовавшейся в результате неравномерности дробления материала среды составляет .

В качестве иллюстрации на рис. 3.21 представлена величина AS/S*, рассчитанная по результатам приведенного ранее гранулометрического анализа при взрывах в полостях различного относительного размера £• Приведенные на рис. 3.21 данные убедительно свидетельствуют о заметном приросте 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 напряженного состояния массива. Наиболее очевидной причиной

Рис. 3.22. Схема проведения опытов:

1 - заряд ВВ; 2 - плексиглас; 3 - камера высокого давления; 4 - подрыва; 5 - реле задержки времени; 6 - импульсная подсветка; 7-й метр

увеличения напряженного состояния является горное давле! величина которого в вертикальном направлении 尸力 工 pgh.] пределение горного давления в других направлениях зав1 от коэффициента бокового распора и определяется ёостояг и свойствами породы.下

Горное давление может быть сравнимо с прочностными d ствами пород, и расчет механического действия взрыва в та условиях представляет сложную задачу. Поэтому несомнем интерес представляют хотя бы данные о напряжениях ежа при которых меняется эффективность механического дейй 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 как цилиндрической формы с толщиной стенки 5 см, внутрев диаметром 22 см и длиной 1,5 м. Давление в камере cd валось при помощи воздушного компрессора. По торцам ка> располагались смотровые окна диаметром 12 см для проведи киносъемки.

Исследуемый блок плексисласа с расположенным в 陈

сферическим зарядом ВВ помещался в камеру высокого давления. Подрыв заряда и момент включения импульсной подсветки синхронизированы импульсом из пульта управления камерой фоторегистратора СФР-2М. Эксперименты были проведены в ус* ловиях гидрсютатического сжатия под давлением 50 МПа.

Результаты опытов» Наиболее интересным и существенным 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 соответствовало пределу упругости плексигласа и было меньше предела текучести, так что материал оставался твердым и не переходил в квазижидкое состояние. Наряду с отсутствием центральной зоны разрушения не возникло также и откольных разрушений, типичных для ограниченного в размерах блока. Отсутствие откола в условиях данного эксперимента может быть также связано с изменением условий отражения волны от свободной поверхности. Действительно, при давлении 50 МПа плотность воздушной среды всего лишь вдвое ниже плотности плексигласа, тоща как в обычных условиях плотность воздуха в 103 раз меньше плотности плексигласа»

В связи с отсутствием видимых разрушений образца в течение всего времени регистрации (10“ с) можно было наблюдать за развитием котловой полости. Максимальный радиус полости % = 1,85+1,9尸§ отмечен через 8-10 мкс после взрыва. Затем было зарегистрировано возвратное движение стенки полости, и через 20-25 мкс радиус полости уменьшился до гп - ■ 1,5±1,6гз и в дальнейшем практически не изменялся. Однако величина конечного радиуса полости, измеренная в образце после опыта, оказалась & ■ 1,3尸з, т.е. такой же, как при взрыве без сжатия. Извлеченный из установки образец развалился по плоскости склея на две половины, и видимых разрушений в материале не обнаружено.

Пространственно-временная картина развития взрыва в блоке плексигласа, сжатого внешним давлением, приведена на рис. 3.23. В пределах точности измерений различия в ско- ростн, распространения фронта волны при взрыве в сжатом образце и в обычных условях не выявлено (кривая /). Степень расширения котловой полости в образце, сжатом давлением 50 МПа (кривая 2), оказалась меньше, чем в несжатом (кривая 力.Измерения показали, что максимальный объем полости в сжатом образце уменьшился на 17%. На основе этого результата на рис. 3.24, а представлена зависимость максимального объема полости в плексигласе от гидростатического сжатия, которую в первом приближении можно представить как:

V~ = 1 - 0,77 制 J

взрыва в плексигласе при гидрологвзрыва в плексигласе при гидролог

взрыва в плексигласе при гидролог

взрыва в плексигласе при гидролог

Рис* 3.23. Диаграмма развигпш сжатии

Рис. 3.24. Влияние горного давления на размеры полости (а) и зон； новагости (6, в)

孤e / н 4 е максимальный объем полости соответственно в сжатом и несжатом образцах; сг* - предел прочности на сжатие, у плексигласа % » 120 МПа и в условиях опыта pg无/% -0,42. Нз последней зависимости следует, что при увеличении 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, разрушение материала отсутствовало. Чтобы дополнить картину тре- щинообразования при других уровнях сжатия, на рис. 3.23 приведены годотрафы фронта разрушения при нагружении образцов плексигласа различными давлениями по данным А.Г. Черникова (1967 г.). Видно, что при увеличении внешнего сжатия размер центральной зоны разрушения и скорость ее развития становились меньше* На рис. 3.24, 6 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, возникавших под действием азимутальных растягивающих напряжений. Эта зависимость соответствует эмпирической формуле

也——3・(3.12)

「3 (pgh/bp)Q 八8

Из физических соображений целесообразно представить зависимость радиуса зоны разрушения от суммы горного давления и прочности материала на разрыв. Сумма противодействующих разрушению сил отнесена к среднему Начальному давлению в зарядной камере Рн * 104 МПа. На графике выделяются два участка с различной степенью зависимости. В области расстояний г > 4「з эта зависимость достаточно сильная:

(3.13)

В области расстояний г < 4п зависимость становится слабее:

(3.14)

Различная степень зависимости размера зоны радиальной трещиноватости от сумм! прочности на растяжение и горного Давления соответствует отмеченным ранее двум стадиям разви- тия трещин вокруг котловой полости: зарождению множества

85

трещин в области г < 4门 под действием растягивающих нап) жений в волне сжатия и распространению отдельных радиальц трещин в области г > 4,з под действием в основном квазисй тического давления из котловой полости. Участок сильной | висимости (3.13) показывает, что для изменения дальнее распространения отдельных радиальных трещин в области г > 4『з достаточно сравнительно небольшой добавки к прочное за счет горного давления. Участок слабой зависимости (3.1 означает, что требуется значительное внешнее сжатие (pgh * bj，чтобы подавить появление радиальных трещин-зародып| в области г < 4「з・；

Таким образом, из экспериментов с гидростатическим сжат ем следует практический вывод о том, что даже при относ тельно небольшой величине горного давления, не превышаю^ прочностных характеристик твердой среды, может существеи измениться характер разрушения пород взрывом. Поэтому в J ловиях залегания пород на большой глубине, где массив 职 сторонне сжат горным давлением, разрушающее действие взрц может уменьшаться вплоть до исчезновения зоны разрушение материала, как это наблюдалось на примере плексигласа. Ев ственно, что результаты опытов с образцами плексигласа в цифичны и имеют качественный характер. При взрывах в реш 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 обра^ 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 механичес^ действие взрыва.

Постановка экспериментов. В условиях комуфлетного взры произведены измерения линейных размеров и объема котлов полости в зависимости от плотности и влажности грунта.. этой целью песчаный грунт размещали в стальной бомбе куО 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 М мерения показали, что колебания плотности внутри массива превышали 3% среднего значения. Источником взрыва служи сферические заряды из прессованного тэна плотностью р；: =1,4 г/см3 и массой т = 0,2+0,8 г. Подрыв разрядов про?

родили в центре массива или около стенки под стальной пли- ^й. Остаточных деформаций стенок бомбы от взрыва не на・ ^людалось.

После проведения подрыва бомбу развинчивали, образец разрезали и производили измерения размеров полости. Для измерения объема полость заполняли расплавом парафина или пласти- лина, и объем застывшего отпечатка определяла погружением в воду. Опыты с зарядами различной массы при фиксированных свойствах грунта показали, что объем полости был пропорционален массе заряда, т.е. (размеры полости) соответствовали принципу энергетического подобия. Следовательно, размеры бомбы были достаточными и не препятствовали развитию полости до максимального размера.

Основные свойства грунта. Песчаный грунт не содержал глинистых частиц и имел однородный состав частиц от 6,2 до 0,5 мм, причем 80% частиц имели размер 0,28-0.35 мм. Плотность сухого песка в опытах изменялась в диапазоне 1,4 < Т < <1,7 г/ск?, увлажненного 1,2 < у < 1,9 г/см3. Песок увлажняли глицерином, у которого % = 1,26 г/см3. Весовая влажность грунта, равная отношению массы увлажнителя к массе твердых частиц, составляла о = 0,02, 0,1 и 0,2. Применение глицерина в качестве увлажнителя позволяло длительное время сохранять влажность грунта постоянной. Как известно, пористость грунта равна отношению объема пор к общему объему грунта:

加加仆（1+3*仆（1+3*г

加

加

仆（1+3*

仆（1+3*

где 才-плотность грунта как трехкомпонентной среды (смесь песка, увлажнителя и воздуха),才е 匸 2,65 г/см3 - плотность скелета. Свободная пористость равна отношению объема воздуха к общему объему смеси:

匕％(1+3).

В сухом состоянии w » 0, m « тхи выражение для пористости упрощается:

m = 1 .牙/牙6

В опытах диапазон изменения пористости составил 0,34 < < m < 0,62 и свободной пористости 0,15 < 加々 0,54.

Были определены основные прочностные характеристики песчаного грунта, использованного в опытах. На рис. 3. 25 приведены зависимсюти сцепления с и коэффихщента внутреннего трения Кт от плотности грунта в сухом состоянии и при фиксированных значениях влажности. Сцепление растет при увеличении объемной плотности и в особенности влажности грунта

87

Ркj 3.25・ Зависимость сцепления и коэффициента внутреннего трения q плотности грунта

4Ж^ 乃■卜4Ж^ 乃■卜£р，М，С£р，М，СРис. 3. 27. Зависимость скорости продольных волн от платности и нлажнос (пунктир) грунтаРис. 3. 27. Зависимость скорости продольных волн от платности и нлажнос (пунктир) грунтаРис. 3*26, Кривые статического сяо吗 песчаного грунта при у = 1630 кг/ъг различной влажности

4Ж^ 乃■卜

4Ж^ 乃■卜

£р，М，С

£р，М，С

Рис. 3. 27. Зависимость скорости продольных волн от платности и нлажнос (пунктир) грунта

Рис. 3. 27. Зависимость скорости продольных волн от платности и нлажнос (пунктир) грунта

(напрнмер, от 10 Па при w « 0 до 105 Па при w = 0,2). Коэф； фициент внутреннего трения слабо зависит от объемной ^отности и влажности грунта.

Были получены также данные по статическому сжатию образцов песчаного грунта в цилиндрическом пуансоне диаметром 2 см и длиной 8 см. Дренаж отсутствовал. На рис. 3.26 показаны типичные зависимости напряжения сжатия ст от отно- .сятельной объемной деформации р. Видно, что объемная деформация грунта необратима. Увеличение влажности при прочих равных условиях приводило ‘ к увеличению необратимой дефор- 二 мацин, хотя свободная пористость грунта при этом уменьшалась (при з ・ 0 т*» 0,38, при w - 0,2 m'= 0,27). Таким образом, присутствие увлажнителя и увеличение его содержания 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 установке КУБ-1 при частоте 60 кГц. При увеличении плотности ско- jpocTb продольных волн росла. Для сухого песка эта зависимость линейна:

% « 540(у - 1), при 1,4 < 牙 < 1,7 г/см3.

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 поверхность была изрыта трещинами конической формы. Глубина трещин и степень их раскрытия зависели от плотности и влажности грунта. По результатам измерений объема полости 匕 получена зависимость показателя прострела (mVt) П = Vn/q 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:

小 * 5才"при 1,2 < у < 1,9 г/см3.

^Значения эмпирических коэффициентов 3 н 九 приведены ниже для Различных значений влажности.

0

0

0,02

0」

0,2

1,2'103

6,8 • 103

10*

6,6

8：5

8,8

1产丄u 8,9

Пгм3/тПгм3/тП,附分П,附分

Пгм3/т

Пгм3/т

П,附分

П,附分

Рис. 3.2& Зависимость показателя стрела от плотности песчаного грунта различной влажности 3

Рии 3.29. Зависимое!% показ| прострела от сжимаемосш пес* грунта

Отметим, что при увеличении плотности от 1,4 до 1,7 г показатель прострела в сухом песке уменьшился в 4-5 paq влажном в 7-8 раз. При увеличении влажности от 0 до 20, условиях фиксированной плотности показатель прострела ув< чился в 3-5 раз.

Из обработку результатов измерений показателя npocrj следует, что объем полости камуфлетнего взрыва в уплотв щейся среде определяется главным образом динамической с маемостью. Это иллюстрирует рис. 3.29, на котором препс лена зависимосгь показателя прострела от модуля сж ус2, отнесенного к среднему давлению в зарядной камере =104 МПа. Все экспериментальные данные (за исключение»

Рис. 3.30. Зависимость работы сжимаемости (в) грунтаРис. 3.30. Зависимость работы сжимаемости (в) грунтавзрыва от плотностивзрыва от плотности(а), влажности (б) и(а), влажности (б) и

Рис. 3.30. Зависимость работы сжимаемости (в) грунта

Рис. 3.30. Зависимость работы сжимаемости (в) грунта

взрыва от плотности

взрыва от плотности

(а), влажности (б) и

(а), влажности (б) и

Рис. 3.31. Зависимость относительного радиуса полости 用 плотности грунта:

1, 2, 3, 4 - соответственно при влажности W - 0; 0,02; 0,1; 0,2 1

хого песка низкой плотности) расположились вокруг единой зависимости в области низких плотностей У < 1,6+1,7 г/см3 зависимость сильная:

П н 1,63 ТО*吟/尸,3 卩рн 牙с； /% < 1,2-10^(1.17)

При плотности 才 > 1,6+1,7 г/см3 эта зависимость становится слабее:

п = 1,08ес；/Рн)" при 才с；/尸н > l，2T0W

По результатам измерения объема котловой полости опрещ лена работа камуфлетного взрыва:

А ■ J P(V)dV, Ун

те 匕-объем зарядной камеры, К - объем полости. Для к тегрирования использована изэнтропа расширения продук^ взрыва при Рз ■ 1,4 г/см3. Результаты, расчетов показал что при увеличении плотности грунта работа взрыва умея шается и в условиях данных эксперментов изменяется в ди| пазоне 0,97g < А < 0,85g (рис. 3.30, а)・ При фиксирован^ плотности грунта работа взрыва растет с увеличением вла^ HOCTM^jeM сильнее, чем выше плотность (рис. 3.30,①，3 висимость {шботы взрыва от сжимаемости грунта показана 1 рис. 3.30, в и соответствует эмпирической формуле:

4q . 0,65 - ОДЗ 1g

Исключение составляет сухой песок при г < 1,55 г/см^, 5 возможно объяснить утечкой газообразных продуктов взрыва поровое пространство на стадии расширения котловой полости.

Из-за глубоких трещин на поверхности котловой полости и« мерить ее радиус оказалось затруднительно. Поэтому иади полости был вычислен по объему гп ■ (3匕/4701a I рис. 3・31 показана зависимость радиуса полости от плотна ти лимита. В условиях данного эксперимента (1,2 < / : < 1,9 г/см3 и 0 < w. < 0,2) относительный радиус полу составил rj^ ■ 2+8 м/т1/3 (или / - З,6+14,4г3)* И* тересно, что формировалась такая структура радиально% растрескивания полости, при которой раскрытие отдельна трещины в основании примерно равно глуоине трещины. О ра| мерах трещин на поверхности полости дает представлен) график, на котором приведена зависимость отношения радиус полости совместно с глубиной трещины гт к вычисленному 照 диусу полости % 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 грунта Эта закономерность нарушалась при увеличении плотности тем раньте, чем больше влажность грунта. При увеличении влаж ности одновременно со снижением плотности размер трещит уменьшился. • На рнс 3.33 сплошными линиями показан вычис ленный радиус полости гп, пунктиром - радиус полости соэ местно с гдбин(就 трещины %・ При взрывах в песчаном грунт при у < 1,о г/см3 и w > 0,1 полость имела достаточно гладкув поверхность и размер трещин был соизмерим с размером зере! (эта область на рис. 3.33 отмечена штрихпунктиром). Такшн

Рис. 3.32. Зависимость размера трещин от плотности песчаного грунта： I, 2, 3, 4 - соответственно при 1*)-0; 0,02; 0,1; 0,2Рис. 3.32. Зависимость размера трещин от плотности песчаного грунта： I, 2, 3, 4 - соответственно при 1*)-0; 0,02; 0,1; 0,2

Рис. 3.32. Зависимость размера трещин от плотности песчаного грунта： I, 2, 3, 4 - соответственно при 1*)-0; 0,02; 0,1; 0,2

Рис. 3.32. Зависимость размера трещин от плотности песчаного грунта： I, 2, 3, 4 - соответственно при 1*)-0; 0,02; 0,1; 0,2

Рис. 3«33. Зависимость радиуса полости от влажности песчаного грунта：

^, 2, 3, 4 , 5 - соответственно при Г = 1,2; 1,3; 1,4； 1,6; 1,8 г/см3

образом, плотность и влажность грунта оказывают сильное влияние не только на конечные размеры полости, но и на величину радикальных трещин, полностью исключая их появление в определенных условиях.

Явление растрескивания контура полости при взрыве в мягких грунтах также отмечалось в ряде экспериментальных работ (Л.В. Альтшулер, 1970 г., Исаков, 1976 г.). При расчете 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,

развиваются из этой системы лишь отдельные трещины. Из d четов также следует, что при увеличении масштаба взрыва | диального растрескивания контура полости не должно прон& дить, потому что в процессе ее расширения трунт 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 диаме1| При удлинении заряда изменяется симметрия развития взры что может оказать вляние на передачку энергии окружаюп* среде. Поэтому следовало выяснить: изменится ли объем | лости при изменении геометрии заряда, при каком соотношей длины и диаметра заряда завершится переход от условий цй ральной симметрии к осевой; какое влияние при этом ока( 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 материя/ обеспечил проведение исследований в условиях хрупкого раз шения, объемного уплотнения и пластического деформирован

окружающей твердой среды.

Постановка экспериментов. Опыты с песчаным грунтом, п> стилином и тиосульфатом натрия проводили в стальной бом кубической формы. В опытах с плексигласом размеры блок составляли 12x15x20 см3. Песчаный грунт имел плотной у * 1,85 г/см\ влажность ы » 0,1 (увлажнение провода глицерином), свободную пористость т‘■ 0,18 и скорость у ругих продольных волн Ср -= 360 м/с. Среда из пластил^ имела плотность 牙=0,82 г/см3, с = 1000 м/с, v = 0八

Затвердевший после плавления тиосульфат нат@ (Na2S2O3'5H2O) имел # = 1,7 г/см3, % ■ 20 МПа, ср = 45 м/с, V - 0,28. У плексигласа р = 1,18 г/см3, ^ - 120 М/

Ср = 2800 м/с, V ■ 0,35.

В качестве источника взрыва использовали заряды цилин рической формы из прессованного (рэ = 1,4 г/см3) и насы ного g ■ 1 г/см3) тэна диаметром d - 3*6 мм и длив I н 3^150 мм. Масса зарядов составила m « 0,2子4 г, плг ность заряжания д, = 0,2+0,3 г/см, отношение длины к д> метру, называемое калибром заряда, варьировал(юь в предел 1 < Z/J < 50. Инициирование зарядов осуществлялось п

Рис 3.34. Изменение формы котловой полости в пластилине при удлинении

заряд#

2 и 1,07; 3 - 4 и 1,15; 4 - 11 и 1,8; 5 -2 и 1,07; 3 - 4 и 1,15; 4 - 11 и 1,8; 5 -I . 〃d ■ 1 и 1п/2гп 25 и 2,9; 6 - 44 к 4,5

2 и 1,07; 3 - 4 и 1,15; 4 - 11 и 1,8; 5 -

2 и 1,07; 3 - 4 и 1,15; 4 - 11 и 1,8; 5 -

Рис. 335* Зависимость радиуса котловой полости от длины заряда: / - пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексигласРис. 335* Зависимость радиуса котловой полости от длины заряда: / - пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

Рис. 335* Зависимость радиуса котловой полости от длины заряда: / - пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

Рис. 335* Зависимость радиуса котловой полости от длины заряда: / - пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

помощи азида свинца. Приведенная длина зарядов

из тэна связана с калибром: 〃寸2 = o,95〃g при Рз » 1,4 г/см3,из тэна связана с калибром: 〃寸2 = o,95〃g при Рз » 1,4 г/см3,кт/м)' /2」

из тэна связана с калибром: 〃寸2 = o,95〃g при Рз » 1,4 г/см3,

из тэна связана с калибром: 〃寸2 = o,95〃g при Рз » 1,4 г/см3,

〃咪=l,13Z/g при Рз - 1 г/см3.

После проведения взрыва образец разрезали и провели 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- ннем 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- кн полости гладкие, и ее торцевая часть имеет форму полу-

95

сферы. В песчаном грунте стенки полости рассечены в осей направлении клинообразными трещинами глубиной рколо 0,2词 торцевые части похожи на усеченный конус. Изменение фом котловой полости в пластилине при удлинении заряда показа на рис. 3.34. Калибр заряда изменялся в диапазоне 1 < < 44, отношение длины полости к диаметру при эуом составн 1 < Zn/2rn < 4,5. Цилиндрический участок полости сформ ровался при отношении lid > 4, Однако радиус полости пп должал расти и достиг предельной величины, соагветствукял цилиндрической симметрии взрыва, при отношении Ud > 16・；

Линейные размеры ^полости. Для исследованных ,шюе тверх среды были получены зависимости радиуса (рис. 3,35) и для полости (рис. 3.36) от длины цилиндрического заряда. В m стилине, песчаном грунте и тиосульфате при постепенном нзм нении симметрии взрыва от центральной к осевор происхох ло увеличение радиуса полости. В плексигласе радиус поло(|| уменьшился. Одновременно с удлинением зарада росла длина 工 лости. Причем на начальной стадии удлинения д^ина полос росла быстрее, чем длина заряда. Во всех средах сущ^ств^ такая характерная длина заряда / « /ф, различна^ для разщ типов среды (вертикальный пунктир на рис. 3.35 и 336),基 чиная с которой радиус полости становится постоянным,. а & длина прямо пропорциональна лртине заряда. Линейные разме полости при 2 » 厶(川拉片"*) соответствуют эмпирическ! зависимостям:

в пластилинев песчаном грунтев пластилинев песчаном грунтев тиосульфатев тиосульфатев плексигласев плексигласеГп/«У - 5,8; %/д? ■ П + 〃寸Г rJi/1 - 2,7; ij^l2 ■ 3,6 + 〃寸2；

в пластилине

в песчаном грунте

в пластилине

в песчаном грунте

в тиосульфате

в тиосульфате

в плексигласе

в плексигласе

rj^l1- 1,75; "q? ■ 1,6 + 〃屮2；

小/寸2 - 0,59; lj^2 * 0,3 + 〃寸%

Соотношение между линейными размерами заряда и полосп (рнс. 3.37) оказалось очень чувствительным к &叫ико-меха風 ческим свойствам твердой среды. В прочной среде соотношенй между длиной и диаметров заряда и полости практически В храняется. В среде с малой прочностью рост отношения дли^ полости к диаметру при увеличении калибра зар銀а замедлй ется. При взрыве в пластине лишь при 〃d ■13 /ина полост вдвое превысила ее диаметр. Из простых геометрических соси； ношений получим связь между калибром заряда % ■ 〃d и nq, лости кп - /п/2гп：

3 - тиосульфат; 4 - плексиглас3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

Phu 3*36. Зависимость длины котловой полости от приведенной длины за

ряда:

/ - пластилин; 2 - песчаный грунт;

Рис. 3.37. Соотношение приведенной длины и диаметра котловой полости в зависимости от калибра цилиндрического заряда： '” пластилин; 2 - песчаный фунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

叫е Рз - плотность зарвда ВВ; Пц - показатель прострела в условях осевой симметрии (при I 以 /*)• Соответствие полуденной 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- Ряда представлены на рис. 3.38. При 〃d ■ 1 показатель про-

Рис, 3.38. Зависимость показателя прострела от приведенной длины либра заряда:

■/ - пластилин; 2 - песчаный грунт; 3 - тиосульфат; 4 - плексиглас

сг))ела соответствует сферической симметрии взрыва (П 尸 При удлинении заряда во всех типах твердой среды заре! рировано уменьшение показателя прострела, которое cW ствует формуле:

，]-рдj ]心

打 н 口с "^- , Н н 几 I 壮；/21 ПРИ 2 W /*•

Из последней зависимости следует, что на начальной В удлинения закон уменьшения показателя прострела опреде! ся только геометрическими размерами заряда и не завися свойств среды. При увеличении длины заряда свыше характе величины / > /ф показатель прострела становится постояв что соответствует завершению перехода от центральной метрии взрыва к осевой. По измерениям показателя прос! характерная длина заряда (м3/2/т1/2) в опытах составила:

в пластилинев песчаном грунтев тиосульфатев пластилинев песчаном грунтев тиосульфате

в пластилине

в песчаном грунте

в тиосульфате

в пластилине

в песчаном грунте

в тиосульфате

4/д『■ 21 (& - 22),

4/аУ 餐 11，4 (/* Е 12),

1/2

/*/〃7,6 "* 1 8),

в плексигласе

G/qp . 2,5 (/♦ ■ 2,6>.

Согласно написанным соотношениям характерная длина заряда примерно на 10-30% больше, чем по измерениям линейных размеров полости, что объясняется влиянием концевых эффектов на объем полости. Из обработки данных на рис. 3.38 установлено, что для любой твердой среды характерная длина цилиндрического заряда / = /* связана с показателем прострела П = 口匸

эмпирической формулой:

厶/d'2 м 2,3 П«л или 厶/d = 2,4 IT?-4,

где ｛川=м, [” « т/м, Пс = м^/т.

Связь между показателями прострела взрывов осевой Пц и сферической Пс симметрии соответствует соотношению:

Пс = О,76П29, при / > 厶*

Выразим радиус полости взрыва цилиндрического заряда любого калибра через показатель прострела Пс и другие параметры взрыва:

n “产1 . )9

% 工 0,56 —* 丁 при Z^ 厶，

I п 丿 I J

Г" N “49口 …5_X_ ПрИ/ 〃 ％.

Распределение энергии взрыва. По результатам измерений показателя прострела определена работа взрыва при централь- н°й и осевой симметрии (табл. 3.4).

Работа 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 практически на порядок). Оказалось также, что при переходе от Центральной симметрии к осевой при прочих равных условях Работа взрыва уменьшается. Следовательно, увеличивается ос-

Рис. 3.39・Рис. 3.39・за開喝за開喝

Рис. 3.39・

Рис. 3.39・

за開喝

за開喝

таточная энергия газов в полости Е ■ g ■ 4, которая оп деляет в основном эффективность выброса грунта при об зовании воронки. Отношение остаточной энергии в под^ цилиндрического、国 и сферического Ес взрывов приведе» последнем столбце табл. 3.4 и на рис. 3.39 в виде зав^ мости этого отношения от удлинения заряда. Остато^ энергия в полости цилиндрического взрыва больше, чем в ：“ ловиях сферической симметрии; и величина отношения Д зависит от свойств среды, увеличиваясь с ростом показа^ прострела как

EjEc « 1,16 + 0,04 lgnc при I》厶.

Таким образом, изменение симметрии камуфлетного вз0 от центральной к осевой при прочих равных условиях вед$ уменьшению показателя прострела и работы взрыва над ой

Т а 6 л и 口 а 3*4

Параметры взрыва с центральной и осевой симметрией

Среда

/"з

1 П,金h

4/q

Ец/区

Плексиглас

1,3

1.25

1.1

"45 0.36

1,17 &

Тиосульфат

3

3,6

17.5

10.4

0*82 0.78

1,21 ；

Песок

4.2

5.5

27.5

0,87 0.84

1,23 :

Пластилин

丄 12.5

280

157 „ ““.,

0x94 0.92

1,26

Примечание. В числителе - при центральной симметрии, в j

менателе - осевой.

хающей средой* Поэтому разрушить скальные породы и уплотнять пористые грунты энергетически выгоднее сосредоточенными зарядами, а производить экскавационные работы удлиненными зарядами. Соотношение длины и диаметра заряда, при которых происходит переход от условий центральной симметрии к осевой, зависит от физико-механических свойств среды и растет при увеличении показателя прострела.

4 ВЛИЯНИЕ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА

НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДЫ

4Х 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- ности горной породы в зоне действия взрыва. Остановимся кратко на некоторых особенностях строения нарушенных массивов горных пород.

Любой массив горных пород (в том числе "нетронутый”) представляет собой блочную^ инженерно-геологическую структуру, характеризующуюся по крайней мере двумя параметрами: густотой трещин 入 и средним 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 понимается совокупность трещин в массиве. Причем, поскольку трещиноватость горных пород является неотъемлемой частью природных массивов и, более того, может в жакой-то степени характеризовать механическое воздействие на массив, она должна рассматриваться применительно к конкретным особенностям строения данного участка массива и истории происхождения.

Совокупность трещин в породном массиве подразделяется на системы трещин, под которыми понимаются труппы примерно параллельных трещин. Пересечение систем трещин между собой ведет к разбиению массива на естественные отдельности, причем среднее расстояние между трещинами определяет сред- ннй размер отдельности*

Имеется несколько способов определения удельной трещиноватости массива горных пород. Планиметри-

ч е с к и е измерения заключаются в определе! количества трещин, пересекающих выделенное направление 烹 умастке определенной длины, либо, если непосредствен^ измерения затруднены, подсчетом числа трещин путем в& ального наблюдения массива через шаблон, на экране xorofi нанесена масштабная сетка.?

Фотопланиметрический метод; ключается в предварительном фотографировании объекта и足 дований и последующей обработке фотоотпечатков*

Основная трудность при использовании перечисленных j годов измерений состоит в необходимости разделения видн& трещин на естественные и наведенные в результате локалы (проходка выработки) и региональных (подземных взры# механических воздействий. Имеющиеся на этот счет рекой дации не уменьшают вероятности ошибки.

Акустический метод определения огней тельной трещиноватости горной породы заключается в с& ставлении скоростей продольных волн в массиве и отдельное Отношение квадратов скоростей распространения продашм волн в массиве и образце составляет акустический показат трещиноватости. Трещиноватые массивы сравниваются м* собой по значению акустического показателя.

Помимо методов определения густоты трещин в массиве 片 ются также методы определения среднего раскрытия трещин одни из которых заключаются в непосредственном измерен параметра <£>, другие - в определении относительной ха/ теристики на основе измерения фильтрационных способное породы - способности пропускать через себя рабочее R (газ или жидкость).

Исследование геометрии поверхности отдельностей как тественного, так и искусственного происхрождения, напрЗ в результате взрыва показало, что рельеф поверхности ； рактеризуется волнистостью и шерохов" т о с т ь ю, причем на изменчивость раскрытия трещину 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 q ближением средняя шероховатость поверхностей изломов и дельностей заключена в интервале (4+6) ТО% причем клонение поверхности от средней линии подчиняется за* нормального распределения [52].

С точки зрения нарушенности массива горных пород треш! представляет собой некоторую полость со стенками, kotoj соприкасаются в отдельных точках (контактах). Трещиноватс массива, порождаемая пересечением, как правило, несколв； систем трещин, приводит к тому, что в массиве горных nd образуется совокупность связанных между собой пустот, личие которых совместно с пористостью материала самой пор|

оПределяет пористость (пустотность) горного массива в целом. Пористость массива характеризуется коэффициентом 0ористости т =匕，匕 где % 一 объем всех пустот в данном объеме массива К Отметим, что величиной m можно характеризовать любую среду вне зависимости от того, каким ^валирующим способом набраны пустоты: трещинами или порами. В этом смысле твердую среду с сильно развитой трещиноватостью 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- 薪новатые породы всегда обладают проницаемостью благодаря наличию гидравлической связи между трещинами. В пористых же породах проницаемость не всегда растет с увеличением пористости: существует так называемая закрытая пористость, которой обладают такие породы, как туфы и известняки, характеризующиеся малой проницаемостью.

Под фильтрацией, как уже указывалось, понимается способность жидкости или газа двигаться через твердую феду, имеющую сообщающиеся между собой пустоты. Впервые вопрос о движении жидкости через пористую среду был рассмотрен в середине XIX в. Тогда же экспериментально была установлена связь между потерей напора АЛ при движении жидкости в пористой среде и скоростью фильтрации (расход жидкости через единичную площадку в единицу времени) уф в виде [70]

% к i^h/L^(4.1)

где 1ф - коэффициент фильтрации, характеризующий среду на участке М при использовании в качестве рабочего тела вполне определенной жидкости.

Закон (4.1) представляет собой линейную связь между скоростью фильтрации и гидравлическим уклоном. В связи с его широким применением для решения обширного класса задач, касающихся движения самых разных жидкостей и газов, закон (4.1) стали позднее формулировать в более общем виде % 0 —詁 grad Р,(4.2)

WM- динамическая вязкость рабочего тела; Р - давление рабочего тела;履-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 сопротивление) складывается из потерь от инерционных сил и от сил трения:

grad 尸 н —% % ——必 sgnv^,(4.3)

* 1* 2

где р - плотность рабочего тела,后2 - второй коэффши проницаемости с размерностью метр. Иногда коэффициещ называют параметром турбулентности проницаемой среды [7н

В настоящее время считается, что формулировка за! фильтрации в виде (4.3) наилучшим образом описывает двим жидкости и газа через проницаемую среду. |

Первая попытка связать параметры, характеризующие I ницаемость среды, с ее структурными характеристиками S сделана Ч.Слйхтером, рассмотревшим фильтрацию жидкости 吋 фиктивный грунт, представленный совокупностью шарообраЛ частиц. По Слихтеру коэффициент проницаемости 右 св=斓 диаметром шаров & пористостью т и просветом среды к] которой характеристикой площади сечения порового кана следующим образом 1 *1 « К医/96(1 - m). 《

Позднее помимо фиктивного грунта были рассмотрены и | гие модели реального горного массива, среди которых сле| выделить три основных. 1

Капиллярная модель представляет проницаемую среду в | пучка параллельных капилляров постоянного диаметра Ок・.1 такой среды выполняется Q

Л1 м ttNk或/128,(4..

где № - плотность расположения капилляров в сечо| перпендикулярном потоку рабочего тела,声

Модель параллельного типа представляет трещинова| среду в виде массива, расчлененного на непроницаемые бл тремя взаимно перпендикулярными системами плоскопаралл| ных трещин одинакового раскрытия <£>. Для такой среди $ полняется условие

» т<е>» т<е>入华у™4~，入华у™4~，

» т<е>

» т<е>

入华у™4~，

入华у™4~，

где 入-удельная трещиноватость.:

Модель серийного типа определяет течение рабочего т в пористой среде, представленной с помощью капиллярной ‘ дели, таким образом, что все поровое пространство проход ся каждой частицей жидкости или газа. Для такой справедлива связь [70]苫

ki «加底/96Т*⑷

где 7\ - фактор извилистости проницаемых каналов в среде. 4

Следует отметить, что наиболее приемлемой для описа реальных сред типа трещиноватых горных пород является дель параллельного типа, неоднократно применявшаяся описании параметров движения рабочего тела в реаль! массивах.‘

Отметим также, что фильтрационные характеристики гор

массивов сами по себе могут характеризовать нарушенность горной породы, поскольку любое механическое нарушение мас- сива ведет к увеличению просвета имеющихся, либо к появлению новых трещин, что и в том и другом случае увеличивает пористость массива. Тогда согласно любой из приведенных за- висимостей (4.5)-(4.7) более нарушенной среде должен соответствовать больший коэффициент проницаемости.

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 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 оценивать второй коэффициент проницаемости fe - весьма важную, как будет показано ниже, характеристику фильтрационных способностей разрушенного взрывом горного массива. По этой причине для целей настоящей работы была разработана специальная методика и устройство для осуществления измерений непосредственно в массиве.

Использование в разработанной методике воздуха в качестве рабочего тела исключает возможность механического и химического взаимодействия реагента с горной породой, в связи с чем отпадает необходимость в дополнительных исследованиях влияния взаимодействия рабочего тела с горной породой на процесс фильтрации (образование пристеночного слоя связанной жидкости препятствует достоверному определению проницаемости, как характеристики собственно горной породы). Помимо этого применение воздуха позволяет проводить измерения с малыми материальными и трудовыми затратами, и делает 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 надежное перекрытие заданного ее участка. В изолированный (рабочий) участок необсаженной скважины нагнетается воздух при некотором давлении Рь После установления стационарного режима фильтрации, заключающегося в постоянстве расхода воздуха в единицу времени G, замеряется величина G. Измерения проводятся при нескольких значениях АР =尸】-Ро, где - атмосферное давление.

Для контроля качества перекрытия одновременно с этим

Рис. 4.L Схема герметизатораРис. 4.L Схема герметизатора

Рис. 4.L Схема герметизатора

Рис. 4.L Схема герметизатора

Рис. 4.2. Нерезьбовое сочленение пп^ ключа:

/ - шпилька; 2 - кольцевая пружина

проводится измерение давления в приустьевом участке скв жины, для чего последняя герметизируется в устье.:

Анализом получаемых расходометрических зависимое! G(AP) определяются оба коэффициента проницаемости трещин ватого массива fa и fo.

Методика реализуется следующим образом. В подготовленна для измерений скважину помещается герметизирующее устрой^ во (два, если изолируется не данный участок). Конструк@ устройства представлена на рис. 4.1. Основным элемент герметизатора является резьбовое соединение, Состоящее неподвижной 3 и подвижнойй 8 частей и приводимое в действ со стороны устья скважины с помощью специального ключа * либо трубопровода 〃• Ключ имеет на рабочем конце выточ под шпильку 9 подвижной части 8 и ссМбирается из двухмет| 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), в國 занных из вакуумной резинн толщиной 6-8 мм (диаметром I сколько превышающем диаметр скважины) и помещенных j увеличения жесткости между зажимными металлически шайбами.>

Пространство между резиновыми шайбами заполнено ми褪 пористой резиной 4, см. рис. 4.1 (набор колец толпцц 10-20 мм). Сжатие пористой резины с помощью резьбоШ

про-про-

про-

про-

рис. 4.3. Сочленение трубопровода:

/ - зажимная шайба; 2 - резиновая кладка

卜一三

соединения приводит к ее распиранию. Тем самым достигается терметизирующий эффект устройства. После выполнения необходимых измерений резьбовое соединение раскручивается и герметизатор освобождается.

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 составлять не менее 3-4 диаметров скважины.

Трубопровод 11 (см. рис. 4.1) выполняется либо из 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 сильно протяженной скважине либо при работе в массиве с большим градиентом проницд- емости) применяются, как уже указывалось, два герметизатора, соединенные между собой с помощью насадки 1 (см. рис. 4Д)? перфорированной дюралевой трубой^ и ограничивающие рабочий объем скважины с двух сторон. В этом случае резьбовое соединение герметизатора более удаленного от устья скважины, приводится в действие с помощью ключа, в то время как резьбовое соединение другого - трубопроводом. Конструктивно дополнительный герметизатор (он располагается ближе к устью скважины) отличается тем, что в нем отсутствует шпилька резьбового соединения 9 (см. рис. 4.1), а его 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 Разина 2 сжимается предварительно с помощью подвижной шайбы 3 до необходимого радиального распора.

Схема измерений приведена на рис. 4.5. Измерения проводятся в следующей последовательности. После герметизации рабочего участка и устья скважины из воздушной магистрали иерез вентиль, расширительную емкость и расходомер в рабо-

Рис. 4.4. Гермешзагор шпуровой:

1,4- резиновые шайбы; 2 - пробка из микропористой резины; 3 - зажимН| шайба

Рис. 4.5. Схема измерений:

I - рабочий объем скважины; 2 - герметизатор; 3 - трубопровод; 4 - и устьевая пробка; 5, 6 • манометры; 7 - расходомер; 8 - расширителц емкость; 9 - ретулировочный вентиль

чий объем нагнетается воздух. Давление воздуха на, внх расходомера (у устья скважины)尸2 замеряется эталонным * нометром 5.

^/-образный манометр 6, подсоединенный к штуцеру пробк регистрирует возможный подъем давления в стволе скважинв! большинстве случаев измерения показывают отсутствие 威 пада давления по обе стороны пробки. Незначительное па шение давления в стволе скважины ( ~ 102Па) при работ* сильно размушенной среде (по величине много меньшее 尸1 厂 же при достаточно продолжительном наддуве рабочего обь^ объясняется естественной в этом случае фильтрацией возд через массив.

Подача воздуха и регулировка его расхода, необходи! для поддержания в рабочем объеме скважины выбранного | ления Pi, осуществляются вентилем.

Объемный расход воздуха G измеряется с помощью тазе

расходомеров РГ-40 и РГ-100, параметры которых обеспечивают пережитие рабочего диапазона газового потока.

Объемный расход воздуха G существенно зависит от протяженности рабочего объема скважины 2P. Выбор величины $ определяется степенью нарушенности исследуемого участка массива: необходимо, чтобы протяженность рабочего объема не менее, чем в 5-10 раз превышала размер отдельности породы (в том случае, если проницаемсють по трещинам заметно превышает проницаемость собственно горной породы). Установить минимально необходимое значение $ можно путем проведения последовательных измерений при увеличивающихся значениях I , Значение /р, начиная с которого величина вычисляемых пар* метров Jti и 厶 будет оставаться неизменной при дальнейшем увеличении $, и следует принять в качестве допустимого. Результаты применения описываемой методики в течение продолжительного времени показывают, что при работе в естественно нарушенных породных массивах протяженность рабочего объема должна составлять не. менее 3-6 м. При работе в массивах, нарушенных крупным взрывом, можно снизить " до 1 м. Это позволяет (в случае необходимости) использовать для измерений неглубокие шпуры.

Необходимое для обработки данных давление в штольне 尸。 контролируется с помощью барометра-анероида.

Обработка экспериментального материала проводится на основе двучленного уравнения фильтрации (4.3). Для получения расчетной зависимости для определения искомых параметров проницаемости горного массива © и 厶 по расходометрическим кривым рассмотрим течение рабочего тела в эллипсоидальных координатах, заменяя для упрощения вычислений цилиндрическую форму рабочего объема скважины вытянутым эллипсоидом вращения с фокусным расстоянием, равным ". Интегрируя уравнение фильтрации (4.3) в предположении изо- термичности процесса растекания рабочего тела в проницаемом пространстве разрушенной среды, получаем зависимость для определения коэффициентов ^ и i2 в виде:

唯心4…nn臨i6pd9 // п/

+ - 一 上„£) PiG 冗 /Ji ^ l^P^k2 a it 2аа

Как следует из последней зависимости, для определения искомых величин к\ и 修 необходимо привлекать давление в рабочем объеме скважины Л. В связи с тем, что непосредственное измерение величины В связано с многочисленными трудноспши чисто технического характера, при проведении измерений достаточно определять давление воздуха у устья скважины Р2. В этом случае необходимое для расчогов значе- 沪е 戶]легко определяется с использованием связи между Pi и R в виде [60]

Г> Г» Е LU

тде Ф - Ф (Re) - коэффициент сопротивления (Re - парац Рейнольдса), d - диаметр подводящего трубопровода, £ - j стояние от устья скважины до рабочего объема» р и и - ol ветственно плотность и скорость течения воздуха в тр* проводе^ причем

“ a 4G/SY).

Величина Ф выбирается в соответствии с зависимостьк>^ (Re), приведенной в работе [60].

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ； ПОРОДНОГО МАССИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА

Разрушение массива горных пород вблизи взрывного j точника приводит к значительному увеличению проницаемо^ среды. Интерес к изучению фильтрационных свойств раз| шейного взрывом массива определяется помимо целей геот нологии возможностью широкого применения мощных подзему взрывов при разработке нефтяных и газовых месторождений^ также реализации современных технологий добычи геотермам ной энергии и полезных ископаемых. В этом смысле интерес!： параметром подземного взрыва является размер зоны повыше проницаемости среды при взрыве 凡.Результаты исследова! некоторых подземных ядерных взрывов приведены в табл, откуда видно, что подземный взрыв позволяет получать статочно большие объемы породы с повышенной проницаемое

Из приведенной таблицы видно, что радиус области по шения проницаемости при взрыве составляет в среднем окол< радиусов камуфлетной полости Ki. С большей точностью рад зоны повышенной проницаемости при взрыве можно выразит виде [62]:

Rc h 及”3 м,.

Таблица 4.1

Радиус зоны повышения проницаемости горного массива при некоторых подземных ядерных взрывах

Эксперимент

Горная порода

Эквивалентная мощность взрыва, кт

&, м

Хардхэт

Гранит

145

7,6

Хэндкар

Доломит

128

6,2

Шоу；Е

Гранит

182

6,9

Пайлдрайвер

310

7J

рис. 46 Изменение объемного расхода воздуха с ростом перепада давления в ра- 5очем объеме скважины протяженностью 1 м на участках массива разной нарушенности: I -向■ 1,851 м,无2 ■ 2,1 м (4)- 6 м);

2 -比-1,151 м,依・ 1,41 м <4 " 6 м); 3 - Л1 - 2,851 м; %2 ■ 10 м (Zp - 1 м)

Рис. 4.7. Зависимость удельного расхода воздуха в скважине диаметром 0,105 м от расстояния до взрыва:

J - Ар * 100 гПа; 2 - Др « 30 гПа

me g - эквивалентная мощность взрыва, кт; Вс - 11 5 д си^катных пород с плотностью (2,5 + 2,7) 103 кг/м3;' 5匕 * ^ ^7-Доломитов и известняков (плотность породы око!

кг/>г). При этом следует отметить, что радиус зоны ц вышенной проницаемости соответствует радиусу зоны раз? шения. Так радиус зоны наведенной в результате взрыва щиноватости составляет по различным данным величину от S R до 10 &!•

В настоящей работе проводились исследования фильтрац| онных свойств горного массива, разрушенного тюдземш^ взрывом эквивалентной мощностью 2 кт [89].

Взрыв заряда проводился в массиве, сложенном прочным скальными породами. Основные характеристики массива и сж. гающих его пород до взрыва: плотность породы 3090 кг/м прочность на сжатие около 100 МПа, скорость звука 5600 м/с влажность 0,7%, пустотность массива 0,12-0,2%, средняя ск@ рость распространения возмущений в массиве 4500 м/с. ЕпЗ ное строение массива в месте проведения взрыва определят отдельность средним размером около 3 м.q

Исследование фильтрационных свойств массива проводил^ с помощью скважин диаметром 5,6- 10-2м и 0,105 м, а там шпуров диаметром 4,2- В качестве иллюстрации i рис. 4.6 представлен характер изменения расхода воздуха G * скважинах диаметром 0,105 м в зависимости от перепада да1 ления ДР. Измерения проводились на. участках массива, х рактеризующихся разной нарушенностью (в тексте под рисунке нарушенность конкретных участков представлена величине параметров проницаемости 左 н 3.

Из приведенных зависимостей видно, что можно выделить дй области по степени изменения G от АР: при малых перепада давления (ДР < 3 кПа) зависимость G(AP) близка к лине! ной (G *АР0*88), при увеличении перепада давления Д

указанная зависимость характеризуется меньшей степенк (G ~ АР0'" при ДР > 3 кПа). Одним из возможных объяснена наблюдаемого эффекта является предположение о пр^имущес4 венной турбулизации потока рабочего тела (в данном случг( воздуха) в конкретно рассматриваемом трещинном пространен при достижении перепада давления АР ■ А尸* ■ 3 кПа. Отм@ ченная особенность расходометрических кривых дает возмох ность исследовать характер течения газа в трещиноватой сре де при разных режимах и позволяет получать сведения структуре самой среды (густота трещин и их раскрытие). ;

Исследование рабочих объемов, расположенных на различий 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 АР (рис. 4.7). При ДР « 3 кПа указанная за висимость представима в виде

Рис. 4・& Зависимость первого коэффициента проницаемости породного массива в зоне разрушения подземного взрыва от приведенного рас* стояния：

I - взрыв эквивалентной мощностью 2 кт; 2, 3 - соответственно эксперименты "Хардхзт： и "Хоггар”

Рис. 49 Зависимость второго коэффициента проницаемости пород* кого массива в зоне разрушения подзейного взрыва эквивалентной мощностью 2 кт от приведенного расстояния

伍-2,5 ТО4厂2з,(4 8)

ще г - расстояние, м.

В целях проверки стабильности фильтрационных характеристик исследуемого массива со временем измерения 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- ного взрыва "Хардхэт” (США) показали, что в течение года проницаемость массива оставалась на одном уровне.

Полученные в результате обработки экспериментальных данных (с помощью двучленной зависимости (4.3)) значения коэффициентов h и 后 представлены на рис 4.8 и 4.9 соот- ветственно в зависимости от приведенного расстояния

* Аналитически полученные зависимости к\ (г) и fe (г) представимы в виде (25 м < г < 100 м)

匕=1,45 ТО-7厂27 M 2 ;抬 н 1,6 ТО+2,(4.9)

^е г - расстояние, м.

Начальная проницаемость исследуемого массива характери- зуется следующими значениями параметров

Al (1,75 4 3,7) 10* м2, fe « (1,1 т 2,3)Ю п м.

На рис. 4.8 приведены для сравнения результаты нзм ний, проведенных при подземных ядерных взрывах в мал( ристых гранитах (''Хардхэт** [75] и "Хоггар" [80]). В званных экспериментах начальная проницаемость массива рактеризуется величиной параметра 无卜 равной 4* 10'п ("Хардхэт”)и 2,7- 10-и м2 ("Хоггар”). Параметр 公■ ве| важная, как отмечалось, характеристика проницаемого пр ранства в экспериментах "Хардхэт” и "Хаггар” не определяй

Приведенные на рис. 4.8 и 4.9 данные указывают на чительное повышение проницаемости породного массива 専' зультате взрывного воздействия, по мере удаления от » взрыва проницаемость нарушенной среды падает, что В ветствует уменьшению интенсивности производимого взрд разрушения с расстоянием.:

Соотношение между значениями измеренных в массиве м метров кг и fe представляет особый интерес. Трещинов массив, характеризующийся относительно большим прос» проницаемых каналов, существенно отличается от пористых ^ по значению параметра 厶(при равных значениях пара» 无)・ Это хорошо видно из рис. 4Д0, на котором представ совместно экспериментальные результаты настоящей р (трещиноватый горный массив) и данные, заимствованна работы [1] (фильтрация в пористых материалах риул# структуры). Наблюдаемое отличие в зависимостях fe (左i)j реального породного массива и пористых сред оёъ貝F большим вкладом турбулентной ссютавляющей потока 何 член в правой части уравнения (4.3)) в общее гидравлик сопротивление при течении рабочего тела в трещинах по『 нению с фильтрацией в пористых средах. Это может пре

Рис* 4.10. Эмпирическая зависимость коэффициентами проницаемости： 7 - пористые среды; 2 - трещин массив горных пород

Таблица 4.2

Вклад (%) турбулентной составляющей движения в общее рцдравлическое сопротивление в зависимости от перепада давления на фильтре скважины

коэффициент прони- цаемости массива, 10"12 м2

Перепад давления А尸，кПа

5

10

20

30

—8,3

30

42

55

62

5,6

54

66

75

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 проницаемости 七2 является важным параметром фильтрующей среды: при одинаковых значениях коэффициента проницаемости ki параметр кг может явиться единственной характеристикой раскрытия проницаемых каналов*

Отмеченная особенность фильтрации в трещиноватом массиве приводит к существенному вкладу второго члена правой части уравнения (4.3) в общее гидравлическое сопротивление. Ниже приведен вклад (%) второго (турбулентного) члена уравнения (4.3) в общее гидравлическое сопротивление 屮с для участков массива с различной проницаемостью (перепад давления АР составляет 10 кПа).

Вклад (%) турбулентной составляющей движения в общее гидравлическое сопротивление на участках массива различной нарушенносги

瓦 1042 м2瓦 1042 м244426649

瓦 1042 м2

瓦 1042 м2

278,35,62,2

С увеличением перепада давления в рабочем объеме 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 АР.

Можно сделать вывод о том, что при рассмотрении фильтрационных способностей реального массива горных пород при- менйтельно к проницаемости газообразного рабочего тела необходимо характеризовать массив двумя параметрами 抬 и 后.

ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Исследование горной породы в месте проведения крм масштабного взрыва показывает, что микроструктура, а 1 довательно> и механические характеристики породы изме^Й в значительных объемах породного массива. Так в резу/п петрографических исследований [91] установлено раскга микротрещин на расстояниях до четырех радиусов полосп взрыва, что составляет около 40《府如-эквивалентная и ность взрыва, кт). Примерно в этой же области наблюдя изменение проницаемости породы [82]. Аналогичные резуль| получены при исследовании горной породы в ближней зоне| мических взрывов* В работе [45] отмечается нарушен» минеральной структуры и возникновение микротрещиноватол диорите при взрывном стимулировании технологических сквая

В целях получения более подробных данных о нарушенни горной породы в зоне необратимого деформирования ереш настоящей работе исследовались образцы горной породы, J бранные в массиве на разных расстояниях от места проведя подземного взрыва. Исследования показали, что горная nt да, расположенная в ближней зоне подземного взрыва / расстояниях до 30-40 炉戸 м/кт^3), характеризуется шенной микротрещиноватостью, которая отчетливо просма^ вается на пишфах. Линейная плотность микротрещин на стоянии 〃q"3. 25 м/кт1/3 составляет в среднем ом 70 1/м. Выявить количественное изменение микротрещиноват^ с расстоянием до взшва не удалось. Однако установлено,' на расстояниях r/炉门 > 40 м/кт^ наведенная взрывом * ротрещиноватость отсутствувет.t

Результаты фильтрационных испытаний приведены， рис. 4.11 и 4.12. Представленные данные демонстрируют метное изменение проницаемости собственно горной порт вследствие крупномасштабного взрывного воздействия, ng по мере удаления от места взрыва проницаемость горной пор! падает и только с расстояний 60 炉戸 м/кт1/3 ее филь^ ционные характеристики совпадают с первоначальными. -

Следует отметить, что соотношение между параметрами i 七2 горной породы соответствует результатам исследова! проницаемости пористых сред регулярной структуры, чтс^ свою очередь указывает на преимущественно ламинарный ре』 фильтрации в поровом и микротрещинном пространствах ropi породы.

Сравнение фильтрационных параметров массива и слагаю!| его пород в зоне разрушения подземного взрыва показыва что проницаемость массива на несколько порядков превып^ проницаемость собственно горной породы. Это позволяет учитывать фильтрацию рабочего тела через породы при оцен* нарушенности массива на основе результатов его фильтра!

рни 4.11. Зависимость первого коэффициента проницаемосш горной породы от р^хтояния до места взрыва эквивалеигной мощностью 2 кт

%G 4.12, Зшисимость второго коэффициента проницаемости горной породы от расстояния до места взрыва эквивалентной мощностью 2 кт

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 измеш проницаемости следует рассматривать как значительную : личину.

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 值 (как нарушенный взрывом, так и находящийся в своем ео| венном состоянии) состоит из непроницаемых блоков пор| разделенных системами плоских трещин. Отдельную трещ| расположенную в массиве горных пород и частично перекрвй вследствие соприкосновения естественных неровностей, сл《 ет характеризовать двумя параметрами: средним раскрыв <е> и коэффициентом перекрытия S.

Рассмотрим случай, когда среда характеризуется о коэффициентом фильтрации 2卜 На практике такой cj встречается часто, поскольку количество измерений, свлза с оценкой фильтрационных способностей нарушенных массй проводится на основе жидкостных методов исследования, к достоверно определяется только параметр Ль；

Течение жидкости в отдельно взятой трещине постоян: раскрытия <€> описывается известной зависимостью, cbi вающей расход жидкости на единицу протяженнсюти трещин градиентом давления:

6 н6 н(<£>)312出(<£>)312出grad Р.grad Р.

6 н

6 н

(<£>)312出

(<£>)312出

grad Р.

grad Р.

Предполагая проницаемое пространство состоящим из т систем трещин, а закон изменения раскрытия трещины с промежутке между контактами в виде линейной зависимс! в интервале (0, £*), где £* - максимальное раскрытие i щины, получаем из последней зависимости выражение для ] хода жидкости на единицу длины трещины в виде

% . • — grad R (4・!

Учитывая, что течение рабочего тела осуществляется : двум системам пересекающихся трещин (при оценке порист(| необходимо учитывать все три системы), получаем с исп4

зованием (4.10) выражение для скорости фильтрации жидкости

(1・S)£:入

W ж " ~2^ gmd Р,(4.11)

где А - удельная трещиноватость горного массива.

Сравнивая между собой зависимости (4.2) и (4.11), подучаем

X ■ 24瓦/(1 - S)eJ.(4.12)

Максимальное раскрытие трещины £* выразим через пористость массива

m * -у- (1 - S)£*入.(4.13)

Из последних двух выражений получаем

j - 6(%/m)1々(4.14)

Таким образом неизвестные параметры Хне* выразились через характеристики массива, поддающиеся измерению; h и т*

Зависимости (4.12) и (4Д4) позволяют оценивать структурные параметры массива Л и <£> в том случае, когда массив характеризуется трещинами одинакового раскрытия. Если раскрытие присутствующих в породном массиве трещин не может характеризоваться одним числом, следует рассматривать совокупность различно раскрытых трещин. Будем характеризовать совокупность таких трещин функцией распределения @(£*丿, устанавливающей долю трещин, раскрытие которых заключено в интервале (еф, £* + d£*):

dX = 23*)dq.

Парциальная проницаемость массива по трещинам с максимальным раскрытием £* согласно (4ДО) представима в виде

dh = ~^“ Хе^(Еф)Й£ф, отсюда

М = -°碧入 S2 el^^de^(4.15)

где €п и е2 - соответственно минимальное и максимальное значения £*.

Согласно (4.13) величина еф пропорциональна размеру прилегающей к трещине отдельности (средний размер отдельности

<х> м 入").Это позволяет в качестве ф(сф) выбрать функ^ аналогичную функции распределения отдельностей по раз^ В частности, можно воспользоваться распределением Рози^ Раммлера. В этом случае плотность распределения представ

в виде

п / сфч п-1「f £*1 叮

9 ・石 Е exp HW J,

где Го и п - параметры распределения, причем п > 1 | £и 工 0.

В случае £ц « 0 и е2 -> « зависимость (4.15) легко , тегрируется с учетом (4.16). В результате получаем:

jti « (1 - 5)Ас? Г (1 + 3/n)/24,(4：j

тде Г (1 + 3/п) - гамма-функция соответствующего аргумент

Входящий в выражение (4.17) параметр распределений； выразим через среднее значение максимального раскрытия | щины на интересующем участке массива <е>, воспользовавЦ связью [107]

<£ф> - €0Г(1 + 1/п)<%

'г

Подставляя е0, выраженное через <£*> в (4.17), получ окончательно

入工24М【「(l + l/rpl

(1・S)(<et>) Зг(1+з/п)'，

При оценках нарушенности массива в качестве <£*> мо； выбрать шероховатость стенки трещины (поверхности отд0 ности), которая по данным работы [183] не сильно отличав для пород различных месторождений и принимает в сред^ значение, равное 5・10*協・

Рассмотрим пример определения структурных характерна породного массива, разрушенного крупномасштабным взрю эквивалентной мощностью 2 кт. Для участка массива с m =« 1 н & = 1,9* 10-11м2 в предположении S ■ 0 (площадь конт тов стремится к нулю) получаем согласно формулам (4. и (4Л4)

入《= 26 1/м, сф - 2,6 10Л<.

Исследование этого участка дает 入 30 1/м, еф - 3T0" (рис. 4ЛЗ).

Простую зависимость, вполне пригодную для оценок сред1 характеристик в среде по данным фильтрационных испытан: можно получить на основе теории гидравлического ради КозенИ) согласно которой 120

рис 4.13. Зависимость удельной трещино- j^^^th породного массива, разрушенного срывом от приведенного расстояния:

/ - оценки по расходометрии^ 2 - по формуле (5.18); 3 - результат планиметрирования

匕 1 м CoW3/S2,

где 5 - удельная площадь поверхности всех отдельностей в единице объема нарушенной среды; g - константа; т - пористость, причем m ” 0,5 S <е>.

Предполагая распределение отдельностей по размеру в виде Розина - Раммлера, получаем

5<х>*

отсюда

4> = &/& & н Со(<еф>)3 Г (1 + 1/л) Г (1 - 1/и)/8.

Записывая константу £卜 характеризующую среду, через проницаемость и удельную трещиноватость нетронутого массива 瓦，Ao, получаем окончательно

8 = к^^(4.18)

Написанная формула дает вполне приемлемые значения величины 入 с расстоянием до взрыва (см. рис. 4.13).

Будем рассматривать далее оценку нарушенности породного массива при подземном взрыве применительно к методике

фильтрационных испытаний, использованной в настоящих следованиях. При оценках будем пользоваться первоначалй| экспериментальным материалом, а именно: в качестве осн而 параметров выберем перепад давления АР и расход рабо« тела G, соответствующий этому перепаду.

Здесь следует отметить, что обработка первоначалй экспериментального материала, проводимая на основе уЗ ния фильтрации типа (4.3) и подобных ему, предполагает личие достаточно высокой плотности распределения пронв емых каналов вблизи фильтра скважины, чего, вообще гом нельзя предполагать при рассмотрении трещиноватой среды^ случае трещиноватой среды коэффициенты проницаемости 爲 无2, входящие в уравнение (4.3) следует рассматривать некоторые общепринятые параметры, характеризующие эквж лентную пористую среду. Йо этой причине при оценках сгр турных параметров нарушенного массива будем в дальней!； пользоваться первоначальными данными в виде так называй кривой расходометрии G(").

Применительно к постановке эксперимента по определен проницаемости породного массива с помощью скважинной мс дики рассмотрим осесимметричное течение газа в плоской щ> (щель пересекает ось скважины под прямым углом) ♦ Максималз упрощая оценки, решаем задачу в предположении несжимаемое рабочего тела.w

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 〃 耳 виде

♦2冗尸 1 (<£>)3红L . <£> ] |dF [M J

Предполагая раскрытие трещины <е> малым по сравнений радиусом скважины ао(<€> « аь < л), получаем

冗尸 1(<£>)3 I dP冗尸 1(<£>)3 I dPI，I，

冗尸 1(<£>)3 I dP

冗尸 1(<£>)3 I dP

I，

I，

(42(42откуда

(42

(42

6|Ы lll(<Zfrp/42Q)

Расстояние 门■ а^ на котором давление рабочего т сравнивается с атмосферным^ достаточно выбрать равным одно метру (в этом случае избыточное давление в фильтрующе» 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 paci линейно с повышением давления Рь При определенном перехц давления ДР = А尸* скорость движения рабочего тела в трещЯ

мОжет достичь критического значения, при котором поток в трещине станет турбулентным. Здесь следует различать усло- вие турбулентности потока рабочего тела в отдельно рас- □^атриваемой трещине (турбулентность возникает при достижении в потоке критического числа Рейнольдса, равного ~ 103) и условие нарушения линейности фильтрации (граничное условие применимости линейного закона фильтрации (4.2): Re в 1 [69]). Сравнивать указанные условия между собой нельзя, так как отклонение от линейного закона фильтрации н смена режима течения в каналах имеют разную природу: в каналах -возникновение преимущественной турбулентности по- юка, при фильтрации - появление потерь, возможных без турбулизации течения.

Отбрасывая возможность реализации переходных режимов, будем считать, что в случае А尸 * А尸* поток рабочего тела

турбулизуется одновременно во всей области течения. По аналогии с каналами круглого сечения будем считать, что коэффициент сопротивления для турбулентного потока в щели W слабо меняется с увеличением числа Рейнольдса Re. Тогда уравнение движения рабочего тела можно записать в виде

(4.21)(4.21)= _ ф。显 dh2 *

(4.21)

(4.21)

где Мф - физическая скорость течения рабочего тела в щели на рассматриваемом расстоянии п.

Интегрирование уравнения (4.21) в цилиндрических координатах дает связь

(4：22)(4：22)~*2п(<£>) 3 /МА /2

(4：22)

(4：22)

% н.

р1/2ф1/2(1/до _ 1/Лпр)1/2

В результате получена простейшая расчетная модель проницаемой трещиноватой среды, согласно которой при малых перепадах давления (АР < АР*) зависимость д：(А尸)описывается формулой (4.20), а при больших перепадах (ДР > ДРФ) - формулой (4.22).

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 АР < 3 кПа степень изменения близка к единице, а при АР > 3 кПа - к 0,5, что вполне соответствует формулам (4.20) и (4.22), предложенной расчетной модели. В качестве значения А尸* следует в данном случае выбрать величину 3 кПа.

Определим . удельную трещиноватость разрушенного взрывом массива 入 и среднее раскрытие трещины <е>, пользуясь формулами расчетной модели и результатами экспериментального определения расхода воздуха G в зависимости от ДР.

Предполагая, что на фиксированном расстоянии от вз嘲 раскрытие трещины можно характеризовать некоторой ср就| величиной <£>, зависящей только от расстояния до взр窗 получаем с помощью (4,20), (4.22) и условия

G - (1 - S)g：入

следующие соотношения:

(«>)3入-沪^您G , АР < АР*,

(«»з/2入 _ G(1/象 J/案尸上 ^\ др》ДР..

Наличие двух режимов течения рабочего тела при малых：, больших перепадах давления на фильтре скважины позвал# выделить два параметра А尸* и G*, характеризующие фильтрац! рабочего тела на участке массива с конкретными структурны! параметрами 入 и <£>・ Через G* обозначен объемный расу рабочего тела при ДР * АР*.

Полагая в последних двух зависимостях ДР = ДР* и разреш их относительно 入 и <е>, получаем в предположении а^ ». Оо? «> -5,24 (и Ш 毋厂［-謊Н"，(42

pWC* '¥

入"f 24Ml ・ S)*oM In (Qnp/ao)，"气

Первая из полученных зависимостей показывает, что 旧 постоянстве остальных параметров величина раскрытия тре叫 ны <е> определяется значением АР*. В нашем случае критик ский перепад давления примерно одинаков для всех исследуем® участков массива и составляет 3 кПа. Это позволяет считав что параметр нарушенности массива <е> не зависит от 照 стояния до взрыва. Конкретное значение <£>, вычисленное 口 соответствии с параметрами эксперимента, составляв 3,3 ТО、.

Значения 入(м-1), рассчитанные по формуле (4.24) п{ S * 0,9 и W н 0,12 (коэффициент сопротивления при Ке а 1(М с привлечением зависимости (4.8),представлены на рис. 4.1 в виде сплошной линии. Аналитически полученная зависимой 入(г) представима в виде

入■ 5,8 НО4 "弋I

где г - расстояние до взрыва в метрах.、i

Для сравнения на рис. 4.13 приведены значения 入,пол^ ченные в результате планиметрирования стенки выработки

рис. 4.14. Разуплотнение породного массива в результате взрыва： / - расчет по (5.25); 2 - **Хардхэти

месте проведения фильтрационных исследований, а также оценки по формуле (4.18) (пунктир). Из рис. 4ДЗ видно, что полученные в результате обработки данных фильтрационных испытаний значения 入 вполне удовлетворительно описывают реальную трещиноватость разрушенного взрывом горного массива, причем для определения трещиноватости массива достаточно осуществить привязку контрольных результатов по параметру S на любом легко доступном участке.

Полученные результаты говорят о принципиальной возможности использования фильтрационных Испытаний горного массива для установления степени нарушенности породы в зоне взрывного разрушения или в любом другом случае структурного строения нарушенного массива, близкого к изотропному по своему строению.

，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 параллельного типа с тремя взаимно перпендикулярными системами трещин) относительное разуплотнение среды связано с параметрами <е> и Л простым соотношением

Ар/ро ■ -3

отсюда с привлечением зависимости Л (г) и найденного значения <е> получаем

Др/ро - Т^ТО3" ”(4.25)

W г - расстояние от взрыва в метрах.

На рис. 4.14 приведена для наглядности графическая интерпретация зависимости (4.25) (кривая /). Там же для сравнения приведена аналогичная зависимость, полученная по остаточным перемещениям при ядерном взрыве "Хар^хэт” (кривая 2).

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 ТЬм3. Более подроб轉 анализ дает среднее значение коэффициента разрыхления &ых =《1 + Др/ро)*1 » 1,12.

Малое разуплотнение разрушенной при взрыве породы мох привести к значительным трудностям при ее извлечении массива (условие беспрепятственного выпуска руды из блс формулируется следующим образом: ^рых « 1,18+1,25). В св* с этим прМ проведении крупных камуфлетных взрывов дробле# с целью извлечения рудной массы следует заранее проводе комплекс мероприятий, обеспечивающих возможность дополи тельного разуплотнения горной породы в зоне разрушен (создание) компенсационных объемов и т.п・).

46 ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ВЗРЫВЕ

Исследование поведения подземных вод при крупномасшта ных взрывных воздействиях представляет особый интерес точки зрения промышленного использования крупных взрыву получения информации о характеристиках проницаемого проС ранства и их изменении в результате взрыва, а также, я особенно важно, с целью изучения и обеспечения гидроге логической и радиационно-химической безопасности при за плуатации подземных сооружений и водозаборов.

Основные механические проявления крупномасштабного п« земного взрыва, нарушающие естественно установившуюся гц родинамику подземных вод, связаны, во-первых, с действа волны сжатия на водосодержащие коллекторы, а во-вторых,; образованием в среде дополнительных пустот (камуфлет полость, наведенная трещиноватость, а также пустотност обусловленная разуплотнением среды) и деформацией водив коллекторов и массива горных пород в целом.

Существенно неоднородное де(}юрмирование сложной 】 строению реальной геофизической среды не позволяет в дет лях анализировать поведение подземных вод при взрнвн^ воздействиях. Однако основные особенности гидродинамически процессов, вызываемых подземным взрывом, легко выявляют при следующей схематизации явления. В сплошной слабопрога цаемой среде, содержащей субгоризонтальный водонасыщенны пласт, на некоторой глубине производится взрыв заряда мол ностью q. Соответствующие взрыву волновые процессы вызывав деформацию окружающей среды, причем водный коллектор 则 формируется в большой степени. Последнее связано с бол

Рис. 4.15* Давление (уровень) грунтовых вод в окрестости эпицентра взрыва после обрушения камуфлетой полости (стрелками показано движение вод)：J - эпицентр взрыва; 2 - земная поверхность; 3 - камуфлетная полость; 4 - столб обрушения; 5, б - соответственно граница зоны наведенной трещиноватости и зоны приповерхностного разуплотнения; 7 - направление стока подземных водРис. 4.15* Давление (уровень) грунтовых вод в окрестости эпицентра взрыва после обрушения камуфлетой полости (стрелками показано движение вод)：J - эпицентр взрыва; 2 - земная поверхность; 3 - камуфлетная полость; 4 - столб обрушения; 5, б - соответственно граница зоны наведенной трещиноватости и зоны приповерхностного разуплотнения; 7 - направление стока подземных водРис. 4.16. Схема изменения уровня грунтовых вод в наблюдапельной скважине со временем:

Рис. 4.15* Давление (уровень) грунтовых вод в окрестости эпицентра взрыва после обрушения камуфлетой полости (стрелками показано движение вод)：

J - эпицентр взрыва; 2 - земная поверхность; 3 - камуфлетная полость; 4 - столб обрушения; 5, б - соответственно граница зоны наведенной трещиноватости и зоны приповерхностного разуплотнения; 7 - направление стока подземных вод

Рис. 4.15* Давление (уровень) грунтовых вод в окрестости эпицентра взрыва после обрушения камуфлетой полости (стрелками показано движение вод)：

J - эпицентр взрыва; 2 - земная поверхность; 3 - камуфлетная полость; 4 - столб обрушения; 5, б - соответственно граница зоны наведенной трещиноватости и зоны приповерхностного разуплотнения; 7 - направление стока подземных вод

『-этап образования "купола"; 〃 - этап заполнения образованных взрывом пустот; III - восстановление первоначального уровня

высокой пористостью и сжимаемостью водовмещающих пор| коллекторов по сравнению с горной породой (водоупором 号 налегающим массивом). Динамическое сжатие коллектора пр водит к повышению давления жидкости в некоторой обласх Образование куполообразного реального либо эффективна уровня подземных вод, формально поставленного в соответствм давлению жидкости Р с использованием приближения Дюпюи ¥

grad (Р) = pg grad (Л),

где 九-абсолютный уровень грунтовых вод; р - плотное! жидкости. Это сопровождается инъекцией воды в поровое пре странство окружающих пород, а также в ранее существовавши и вновь образованные в результате взрыва трещины, борми成 вание и последующее обрушение камуфлетной полости и,侬 следствие ” образование столба обрушения и области повъ шинного разуплотнения среды вплоть до свободной поверхно^ ти, вызывает центральную депрессию в образовавшемся купол грунтовых вод (рис. 4,15). Наличие области повышенного да# ления (купола) грунтовых вод над эпицентром взрыва естес^ венным образом приводит к повышению уровня грунтовых вод , наблюдательных скважинах. Схематично характер изменею 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 1О'^2[75Ц приводит к бнетре снятию избыточного напора грунтовых вод, а затем - его дению существенно ниже естественного уровня в районе Э1 центра взрыва. Последнее вызывает резкое снижение водоп тока к областям, расположенным в направлении естествен) миграции подземных вод, и одновременно - образование 口 рессионной, воронки. Следствием этого является резкое ci 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) АЛ « Л - Ло определяе*' величиной взрывного воздействия, в качестве которой доп; тимо выбрать амплитуду волны сжатия - максимальную массово скорость к С учетом эмпирической зависимости уь от р， стояния до места проведения взрыва 及[35]

Vb а (K/J/з)//

поручаем

(4.26)(4.26)1/3

(4.26)

(4.26)

[(Hd) 2+ 凸"〃’

где г - расстояние от эпицентра взрыва; Ь - глубина залегания водоупора; Лил- эмпирические константы (〃 а 1,7); g ・ мощность взрыва.

Время установления максимального напора f с момента проведения взрыва на эпицентральном расстоянии г составляет b - 4~，方 丁评"

где с - скорость распространения возмущений в среде.

В дальнейшем будем описывать движение грунтовых вод с помощью линейного уравнения

7= ■ -A- (grad(尸)-р&(4.27)

где Р, м и v ~ соответственно давление, вязкость и скорость фвдьтрации грунтовых вод; к - коэффициент проницаемости среды; g 一 ускорение свободного падения.

Объем пустот, образовавшихся при подземном взрыве. Для установления гидродинамических характеристик на втором этапе движения подземных вод (этапа заполнения образовавшихся при взрыве пустот) определим их величину. Общий объем пустот складывается из объема камуфлетной полости %, объема пустот в зоне наведенной трещиноватости 匕 и объема пустот в столбе обрушения %. 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 Re, допустимо пренебречь сюъемом 匕.Также допустимо не пренебречь пустотностью, сформированной в приповерхностной области в результате разуплотнения среды и откольных явлений, полагая сферической зону наведенного трещинообразо- ванкя» Многочисленные экспериментальные данные [36] свидетельствуют, что для большинства горных пород

凡=100/3,(4.28)

где д - эквивалентная мощность взрыва в килотоннах тротила, и следовательно:

% = 4,2 ТО3?,м3.

Объемную плотность рт конкретного участка породного массива, характеризующегося трещиноватостью 入、п средним Раскрытием трещин г, представим в виде

% = %口 - 口£入(1 - S",(4.29)

哨е ро - горной породы; а - коэффициент, значение которого

129

определяется количеством систем трещин в массиве и eg извилистостью индивидуальной трещины (для массива, 值 сеченного тремя системами слабоизвилистых трещин а 干 S - среднее значение коэффициента перекрытия трещишй простейшем случае - отношение размера перекрытия к об^ протяженности трещины).

Согласно (4.29) записываем величину разуплотнения 斗 веденной пористости) массива горных пород в резул» взрыва

Дp Р.£a(1-5)(£入一£]入门

Pm"=" ?二 a" - 5)6区

где p* - конечная плотность среды; подстрочным индец 1 обозначены начальные параметры до взрыва (предполагае! что а * a】，S = SD.:

В случае первоначально слабонарушенной среды (е f 入—0)

» ■ -а(1 - 5)гЛ.$

Согласно результатам экспериментов[59]крупномасштай

подземный взрыв вызываетизменениеструктурногосостоя!

среды в области радиусом丿

& « 100 〃з.(4.；

При этом параметр с, характеризующий среднее раскръ трещин, практически не зависит от расстояния^ до м《 взрыва R

£ * const = 3,3 ТО" м.

а зависимость 入(К) представима в виде (1/м)

入(К) * 5^-\^{Rl^Y^.

С учетом написанных соотношений получаем

где “о - пустотность среды в естественном состоянии.

Определим общий объем пустот в зоне наведенной взръц| трещиноватости к*、

% = 4тт J ^dR. Ко

С использованием (4.28), (4.30) и (4.31) получаем %« 4冗鼻頂25(低 -何 a8,6•10%闻.

рис. 4.17. Схема течения жидкости в водоносном горизонте:

/ 一 водоупор; 2 - столб обрушения

Таким образом, общий объем пустот, образовавшихся в среде при взрыве, составляет

У* 4,2-lO3^! + 2,04-КГтю).(4.32)

Динамика заполнения образованных пустот подземными водами. Время заполнения наведенной взрывом пустотности определяется расходом жидкости Q, поступающей через проницаемые каналы в столб обрушения. Для оценки величины Q примем следующую схему течения жидкости (рис. 4.17). Движение подземных вод в водовмещающем горизонте мощностью а и коэффициентом проницаемости 七)имеет напорный характер и осуществляется со скоростью фильтрации и. В момент Е = 0 образуется вертикальный проницаемый канал радиусом 及о, 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 цилиндрическую поверхность радиуса г в виде

Q=-2nKr (乳

где К - коэффициент водопроводимости пласта; Л - мощность водного слоя.

С учетом сохранения массы

甯2Пгт圓 получаем

需=春号辰需)，(4.33)

哨e m - пористость коллектора.

С учетом (4.28) перепишем (4.33) в виде

屈以鱼_ 一匹+ -££^无巫L,(4.j

9tdr r Mm dr2

где к - коэффициент проницаемости водопроводного пласта.

Видно, что правая часть уравнения (4.34) неопределея, окрестности г - 0. Поскольку limГ丄-巫4 и Г-* 0 L Г 3?」32 r г-0

допустимо описывать течение жидкости в водоносном слое в рестности точки г ■ 0 вместо (4.33) уравнением

8八.2K力a*h(4 з

dt m dr2

Полагая, что в промежутке времени между образовав столба обрушения « ■ 0) и моментом, соответствующим 列 новлению квазистационарного истечения жидкости из вод) держащего пласта 〃 ■ fe) расход жидкости через цилин^ ческую поверхность радиса R определяется величиной ； причем граничное условие при 尸=Ко в виде

Qi н hiRoKh g 力

отсюда

г .风：无给・.元乐■ 8nst■г .风：无给・.元乐■ 8nst■(%(%

г .风：无给・.元乐■ 8nst■

г .风：无给・.元乐■ 8nst■

(%

(%

При r f 8 ：五(f, г) -* Ao, что равносильно 尸 * Ко.

В качестве начального условия для решения уравнс (4.33) примем эффективную поверхность жидкости (4.26), у《 новившуюся в момент взрыва:

/ * 0 :五(& г) » Ло + ДЛ(г) s у (г)./ * 0 :五(& г) » Ло + ДЛ(г) s у (г).Задаваясь коэффициентом кальном канале, получаем с и (4.28)Y M ~ 从Задаваясь коэффициентом кальном канале, получаем с и (4.28)Y M ~ 从проницаемости среды 怎 в использованием отношений产.проницаемости среды 怎 в использованием отношений产.(3嚟(3嚟

/ * 0 :五(& г) » Ло + ДЛ(г) s у (г).

/ * 0 :五(& г) » Ло + ДЛ(г) s у (г).

Задаваясь коэффициентом кальном канале, получаем с и (4.28)

Y M ~ 从

Задаваясь коэффициентом кальном канале, получаем с и (4.28)

Y M ~ 从

проницаемости среды 怎 в использованием отношений

产.

проницаемости среды 怎 в использованием отношений

产.

(3嚟

(3嚟

При о « 103 кг/м3, Д = 10-3Па*с, величина Qi составЛ 3,08* 1(г 质『戸 mVc Q выражено в кт).g

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, палучейное в результате численного ий рирования уравнения (4.33) с учетом (4.27), (4.35)-(4* Для наглядности на рис. 4.19 приведен купол подземных 吵父 того же расчета. Расчет проводился для случая g - 20

p11c. 4.1 & Зависимость уровня подземных ^д при взрыве q = 20 кт от приведенного расстояния;

万-время с момента взрыва соответственно 0; 3; 10 мин

Рис. 4.19. Купол подземных вод при взрыве q = 20 кт при времени с момента взрыва f = 0 мин (а) и 5 мин ⑹

H = 600 м, i = 70 м. Начальное пространственное распри ление з(г) выбиралось в соответствии с зависимостью (& В расчетах использовались близкие к реальным характё] тики водопроницаемого пласта: а == 25 м, Ло = Ю'11 R == 0,5 МПа (辰=25 м). Из рис. 4.18 вйдно, что за в^ рассасывания купола жидкость не успевает профильтровав глубь коллектора: при ярко выраженной неоднородности ； чального распределения р(г) рассасывание купола происхс за счет стока жидкости в столб обрушения (抬=1010 . Это означает, в частности, что после установления избы* ного напора жидкости в момент взрыва дальнейшего его ". растения 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 厶. 1

Согласно выполненным расчетам время установления ста< парного режима течения h (полное рассасывание купол# формирование депрессионной воронки) не превышает не/ десятков минут,

В момент времени 勿 режим фильтрационного стока смен： ся режимом фильтрационного всасывания жидкости через линдрическую поверхность г = Ко (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 моз считать, что оба эти движения осуществляются независим^ справедлив принцип суперпозиции.叁

Напорная фильтрация в водовмещающем слое, содержащем^ линдрическую депрессионную поверхность. В качестве при睡 рассмотрим напорную фильтрацию жидкости в слое толщиной содержащем цилиндрическую депрессионную поверхность рад萬 Ко. Оценки будем проводить для случая стационарного тече! в гидравлическом приближении: все характеристики пЕ 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 -石 указанное движение вод усложняется централ! симметричным течением с некоторой скоростью фильтраИ 〃г(г) • Очевидно, что в этом случае результирующая скора фильтрации ui(x , у) в произвольной точке потока М ( рис. 4.17) имеет следующие составляющие по осям хну 134

м * u - Mcos(a),

u н sin(a),

U(e a - угол между осью x и радиусом - вектором точки М, Для центрально-симметричной составляющей течения с уие-

10M закона сохранения массы имеем

“力Н元?力，

отсюда

“％)=元扌訪.const =气 при Г н R。

и

Привлекая последние два соотношения с учетом 聊3) = х/г и sina ■ у",

ще г - " +子, получаем

1 ВхЛо8у&о

lx2 丄 21y2 .2

I 尸+ У2)『产+ у2)

где через В обозначено отношение

В ■ ио/и ■ -Qi/ Q^amuR^.

Уравнение линий тока

dy ВуАо

dxх2+у2- BxRo

легко интегрируется и его решение представимо в виде х ■ ^ ^^,

qe ci - константа интегрирования, значение которой определяет конкретную линию тока.

В качестве иллюстрации на рис. 4.20 приведены линии тока в окрестности депрессионной поверхности /* = Ко для некоторых значений параметра В, определяющего соотношение между естественным расходом *идкостн через единицу поверхности в водоносном слое и количеством жидкости, поступающей в вертикаль- ннй проницаемый канал. Из рис. 4.20 видно» что линии тока в окрестности депрессионной поверхности существенно искривле-

Рис. 4.20. Линии тока подземных вод в окрестности депрессионной поверхности： а - Н " -0,5； 6 - В н 1;

ны, напор жидксюти в произвольной точке М, определяемый с4 ростью фильтрации в соответствии с (4.27), зависит не толь от эпицентрального расстояния г, но также от угла а (с рис. 4.17). Последнее означает, что наблюдательные скважиМ расположенные на одинаковом удалении г от эпицентра взрыМ но различно ориентированные по азимуту^ должны показыв** разный уровень подземных вод.

Уравнение изопьез (в данном случае линий одинакового э фективного напора жидкости, поставленного в соответст角 давлению 尸)представимо в виде“

Нх = Ву&0

8у хг+у2-Ьхго

и имеет решение

力— BE ( х/У ) =« с2 H const.

Учитывая, что константа q определяется эффективной вы© той водоносного слоя Л, получаем распределение уровня гру| товых вод пространстве в виде

力力л =л =u + Ло*u + Ло*pg%0pg%0(4.39)(4.39)

力

力

л =

л =

u + Ло*

u + Ло*

pg%0

pg%0

(4.39)

(4.39)

Следует отметить, что решение (4.39) получается и при решении стационарного уравнения

ДЛ = О

с граничными условиями

Г f ~8Г f ~8dhдхdhдх

Г f ~8

Г f ~8

dhдх

dhдх

приведены изопьезыприведены изопьезы=0 ：患f不裳/如

приведены изопьезы

приведены изопьезы

В качестве иллюстрации на рис. 4.21

для некоторых значений расчетных параметров. Приведенный шения свидетельствуют, что характер фильтрационного те^д жидкости в слое с депрессионной поверхностью г - Ло onR ляется безразмерным параметром 5 = 〃/依.В частности, 8 V 1 течение жидкости во всех точках пространства I ществляется преимущественно вдоль начального течения товых вод > 0). Присуществует точка (х К

у ■ 0) с нулевой скоростью движения жидкости. Случай В ・ наиболее интересный с точки зрения практики, характера扌 ся наличием целой области течения с и^х < 0 (рис. 4* Конкретное значение параметра В определяется величиной при г > /2.

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 врема заполнения образовавшихся при взрыве пустот, для оце величины Qi допустимо привлекать соотношение%

c * -2nак 0尸0 а

? “п(Ко〃о)' получаемое интегрированием уравнения (4.2) в области 3 < г < го, где Ro - радиус зоны подпитки депрессионной ； верхности, А - как и ранее давление жидкости в нево^ щенной области (г —* ш).

В случае ненапорной фильтрации вместо зависимости (4 следует использовать зависимость Гиринского [15]

沙 н gl/КЛо/Го)

где Ло и Ai - соответственно напор подземных под при г - и на границе г ■ Ло.j

В нашем случае го соответствует расстояниям, на кота

Заключительный этап изменения уровня грунтовых вод < зан с заполнением образовавшихся при взрыве пустот 0 становлением первоначального уровня 也)).С помощью cool* шений (4.32) и (4.40) легко оценить длительность этого Е цессе. Действительно, при Ло - 10 й м2, Ро = 0,5 М g н 100 кт, 7) в 10-3, время заполнения пустот подземн# водами

InInК 4,2・103m0(]+2,04・1()37n

In

In

2nakoPo

составляет около 60 сут.

Реально время восстановления первоначального уровня rf товых вод может быть значительно более длительным в связ образованием протяженных магистральных трещин, замыкающи

на другие горизонты, а также кальматацией и нарушением структуры проницаемых каналов водоносного слоя в результате

Результаты инструментальных наблюдений [15]. Исследование р^кции подземных вод на крупномасштабное взрывное воздейст- / проводилось в течение продолжительного времени (1983- ]$89 гг.) с помощью группы наблюдательных скважин, пройден- ных в одном из регионов Восточного Казахстана (горный массив Балапан). Регистрация уровня подземных вод проводилась rie- риодически в общей сложности на 68 скважинах при 12 крупномасштабных взрывах эквивалентной мощностью от 8 до 150 кт на глубинах от 300 до 600 м.

Опыт

Мощность, кт

Глубина, м

I 50-100 460

II 12-25 300

III 100-150 600

IV 100-150 520

V 50-100 450

VI 50-100 500

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 .一

600

500

600

620

600

450

В каждом эксперименте наиболее детально изучались 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 повсеместно, носят напорно-безнапорный характер и приурочены * к зонам экзогенной и тектонической трещиноватости скальных пород палеозойского фундамента. Водосодержащие горизонты вскрыты на глубинах от 2,1 до 70 м и характеризуются напором 4-66 м・

Области питания подземных вод сосредоточены в основном на юго-западе исследуемых территорий на участках выклинивания местного водоупора. Фильтрационное течение подземных вод, характеризующееся уклоном от 0,05 до 0,02, осуществляется преимущественно в северо-восточном направлении (рис. 4.22, а, 4.22, в). Сложное геологическое строение региона и наличие рада структурно-тектонических нарушений разного порвдка определяет неоднородность фильтрационных свойств водовмещающих пород. В пределах структурных блоков ^одопроводимость 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 зкзо- мннсй трещиноватости скальных пород, мощность которой по

Рис. 4.22. Схемы учаслюв (а- разных опытов：

J - наблюдательные скважины; 2 вые скважины; 3 - уровень пф： 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 м1.

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 подзс вод. Хотя изменение уровня подземных вод носит сложный странственно-временной характер, определяемый конкрег характеристиками массива горных пород» удаленностью на出 тельной скважины от эпицентра взрыва, наличием близкое ложенных тектонических нарушений и т.п., можно выделит щие закономерности.

Непосредственно после взрывного воздействия на водовк ющие породы регистрируется общий кратковременный и уровня подземных вод в наблюдательных скважинах (в отде/ случаях их фонтанирование). Затем в течение короткого с ка времени (0,1-3 сут) наблюдается снижение уровня подзе вод до первоначального и ниже.

Наиболее отчетливо это проявляется в ближней зоне в± (г < 1 км), гце снижение уровня относительно первоначал: может достигать 40 м. Далее в течение продолжительного меня <от 10 сут до 6 мес) наблюдается устойчивая тенд^ 140士

Рис. 4.23. Изменение уровня подземных в наблюдательных скважинах ^рыве XI:.

'-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:

/ ■尸■ 0,9 км; 2 - 0,93 км; 3 - 1,25 км

к восстановлению первоначального уровня. Это хорошо вида рис. 4.23 и 4.24, на которых в качестве иллюстрации 同 ставлено изменение уровня подземных вод в некоторых набл1 тельных скважинах при опытах X и X/.I

В целом характер изменения уровня подземных во. во наблюдательных скважинах одинаков. При этом амплитуда й нения определяется расстоянием от наблюдательной сквалй! до места проведения взрыва и азимутом а.

Конкретные особенности зависимости АЛ(г,力 определ1 ся мощностью взрыва, а также структурно-тектониче строением массива горных пород. Так в опыте VII в пс 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, б), расположенных в пределах одного структу) тектонического блока с боевой скважиной, наблюдалось фо нирование жидкости в течение 7 ч. В других близкорасп; женных от эпицентра взрыва скважинах № 36, 37, 45 rf средственно после взрыва зарегистрирован подъем уровня л кости на 3,64,2 м.

В последующие сутки общее снижение уровня доел ДА = -60 м. Поведение жидкости в конкретной наблюдател!

^сважине обусловлено ее приуроченностью к отдельному срук- турно-тектоническому блоку. Так влияние взрывного воздей* ствия на уровень подземных вод в наблюдательных скважинах № 37, 40, 41, расположенных в пределах центрального структурно-тектонического блока, одинаково. Одинаковым образом ведет себя при взрыве уровень жидкости в скважинах № 43 и 45, приуроченных к зоне влияния тектонического разлома (см. рн& 4.22, в). В то же время уровень жидкости в наблюдательных скважинах № 36, 42, 47, расположенных за пределами центрального структурно-тектонического блока, при взрыве практически не изменяется.

В опыте IX максимальный подъем уровня (превышение Дй составляет 2,5 м) зарегистрирован в наблюдательной скважине № 17 (см. рис. 4.22). В первые часы после взрыва 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 А力 влияет начальное гипсометрическое положение ее уровня. В частности, при сопоставлении величины изменения уровня вод в практически равноудаленных от взрыва IX наблюдательных скважинах № 2, 7 и № 9, 13 наибольшее снижение уровней на 6 и 10 м произошло соответственно в скважинах № 2 и 9, характери- зующихся более низким гипсометрическим положением начального уровня.

При взрыве X, проведенном спустя 3 мес после взрыва IX、 наибольший подъем уровня подземных вод (около 3,4 м) наблюдался в скважине № 26, расположенной на эпицентральном расстоянии ? ■ 2 км (следует отметить, что именно в этой скважине наблюдалось максимальное изменение уровня при взрыве IX). В наблюдательной скважине № 27, расположенной в пределах одного структурно-тектонического блока с боевой скважиной (взрыв X), 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 побьем уровня достиг 1,0 м.

Во всех наблюдательных скважинах, расположенных в окрестности опыта X (за исключением скважин № 24 и 26, находящихся в зоне непосредственного влияния опытов VII и IX), в течение суток с момента проведения взрыва регистрировалось максимальное снижение уровня подземных вод. При этом амплитуда изменения уровня существенно зависит от расстояния г

Номер скважины 厶кмАмплитуда изменения уровня вод, м: в течение первых суток через 6 мес Номер скважины 厶кмАмплитуда изменения уровня вод, м: в течение первых суток через 6 мес 30 0,96291,28331,29321,65341,73254■3,8-2,8-1,1(М0工6-0,9-0,8-0,4--30 0,96291,28331,29321,65341,73254■3,8-2,8-1,1(М0工6-0,9-0,8-0,4--

Номер скважины 厶км

Амплитуда изменения уровня вод, м: в течение первых суток через 6 мес

Номер скважины 厶км

Амплитуда изменения уровня вод, м: в течение первых суток через 6 мес

30 0,96

29

1,28

33

1,29

32

1,65

34

1,73

25

4

■3,8

-2,8

-1,1

(М

0

工6

-0,9

-0,8

-0,4

-

-

30 0,96

29

1,28

33

1,29

32

1,65

34

1,73

25

4

■3,8

-2,8

-1,1

(М

0

工6

-0,9

-0,8

-0,4

-

-

2 4 4 4 6 8 7Lao,0t-0>аа2 4 4 4 6 8 7Lao,0t-0>аа723821421321000072382142132100005 5 3363rtv 11 li «1 ti т^ 04 ТА5 5 3363rtv 11 li «1 ti т^ 04 ТАТаблица 4.3

2 4 4 4 6 8 7

Lao,0t-0>аа

2 4 4 4 6 8 7

Lao,0t-0>аа

72382142

13210000

72382142

13210000

5 5 3363rtv 11 li «1 ti т^ 04 ТА

5 5 3363rtv 11 li «1 ti т^ 04 ТА

Изменение уровня подземных вод при разных эпицентральных расстояниях

Номер наблюдательной скважины

Эпицентральное

Амплитуда изменения уровня вод.

.расстояние» км 〜

в течение

суток

спустя 6 МО

Водоносный комплекс раннекаменноугольного возраста

Водоносный* комплекс среднекембрийского возраста

Водоносный комплекс позднепалеозойского возраста

60,570,760,570,7-15,9-19,7-15,9-19,7-5(2-4,1-5(2-4,1

60,5

70,7

60,5

70,7

-15,9

-19,7

-15,9

-19,7

-5(2

-4,1

-5(2

-4,1

В момент взрыва XI подъем уровня подземных вод составш среднем около 0,4 м. Наибольший подъем уровня (1,2 м) (Ж чен в скважине № 7. Наибольшее снижение уровня подземных' наблюдалось в скважине № 6 (см. рис. 4.22,仇 расположев^ 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 ypd помимо удаленности от эпицентра взрыва определяется лок^ ными структурно-тектоническими особенностями массива, а т же приуроченностью наблюдательных скзажин к различным ва косным комплексам (табл. 4.3).

Продолжительные наблюдения за уровнем подземных вод в " блюдательных скважинах, удаленных от места проведения взр£ на расстояния свыше 3-5 км, свидетельствуют о нарушей естественного гидрооежима в значительной по объему сйлай При этом отмечается общая тенденция снижения уровня на 2-3 после проведения взрыва, слабее выраженная в скважи^ 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 гиад

T a 6 п н u a 4.4

результаты гидрогеологического опробования а и после проведения взрыва

Взрыв

Номер скважи- ны

Напор, м

Дебит, ь^/сут

Водопроводимость^ • к^/сут

历

Я2

С1

Q2

(成)1

（成）2

-VII

24

44,4

24,2

28,5

28,5

3,9

3,51

20

3,6

3,7

16,6

17,4

0,78

0,91

23

19,0

17,4

7,7

4,3

0,26

0,52

vni

48

-

34,5

35,4

3,0

3,0

45

16,5

34,6

23,9

3,5

13,7

47

61,7

61,6

19,8

16,9

1,69

1,43

49

31,9

24,9

34,5

16,5

1,0

0,8

\

42

-

*

6,8

6,2

0Д6

0,16

41

56,8

28,6

180

32,8

16,5

2,1

40

53,2

34,6

18,0

16,4

0,7

3,38

37

23,1

3,5

78,5

20,7

10,0

7,7

36

143

22,8

31,1

50,1

3,0

6,0

IX

9

42,7

9,4

27,6

27,6

1,82

1,95

13

21,2

18,6

95,9

101,9

7,8

14,3

12

62

57,8

9,5

9,5

0,39

0,39

17

4,6

0,4

233,3

159,8

30

35,1

XI

57

50,5

63,9

108

2,6

7,7

53,4

46,5

1,04

0,03

0,02

0,000

4,0

2,6

144,3

127,8

18Д

18,5

9

9,4

9,1

27,4

36,0

1,5

2,1

8

42,9

41,4

19,0

24,2

0,72

0,91

1

27Л

29,1

190

173

27

24

10

23,7

27 Д

0,55

5,2

0,02

0,2

11

$8,3

59,5

0,17

0,28

0,01

0,01

П р

и м е ч

а н и е：

индекс 1

-до взрыва, индекс

2 - после

взрыва.

геологического опробования при взрыве VII было установлено ■зменение водопроводимости водовмещающих пород (табл. 4.4). 则 этом наибольшее изменение водопроводности отмечается в 喻не менее водообильных скважин. В частности по скважине -电 23 (г = 2,1 км), вскрывающей андезитовые порфиры, отмечено /величение водопроводимости от 0,26, до 0,5z м2/сут, что соответствует увеличению общей пористости пород с 3,8 до %3%・ В скважинах № 20 и 24 водопроводимость изменилась в ■еньшей степени (соответственно на 0,13 и 0,4 М/сут).

При взрыве IX в близкорасположенной к эпицентру скважине 12 (г = 0,8 км), вскрывающей слабопроницаемые туфы и туфо- евролиты, водопроводимость не изменилась (см. табл. 4.4). В Бажине № 17 (г « 1,3 км) отмечается незначительное увели- енне водопроводимости (на 15%) за счет образования дополни- ■^ьной зоны водопритока (по данным расходометрии в интерва-

лс 52-54 м). Наибольшее увеличение водопроводимоспЬ взрыве (на 83%) зарегистрировано в наблюдательной скм № 13 (尸=2,2 км). По данным расходомстрии, такое убелш объяснимо существенным повышением проницаемости вод щающих туфопссчаников в результате взрывного воздеО Болес подробные геофизические исследования подтвердюш мснсние свойств указанных пород при взрыве. В частц отмечается снижение их кажущегося электрического сопр ления на 38%.;

Подробное гидрогеологическое обследование наблюдате| скважин после проведения взрывов позволило установите один эффект: наряду с изменением водопроводящих свойс^ довмещающих пород в некоторых скважинах отчетливо рей руется сдвижение интервалов преимущественного водопрв При взрыве VIII в наблюдательной скважине № 37 (нача| водоприток регистрировался в интервале 40,8-53 м) было чено снижение основного водопритока до уровня 61MHM вание дополнительного интсйсивнрго водопритока с водое димостью 9,1 м2/сут в интервале 73,5-77 м. Такое сме| интервалов водопритока можно объяснить установлением ги личсской связи между близкорасположенными трещинами в развития тектонической трещиноватости либо образование* гистральной трещины в результате взрыва.

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ В СРЕДЕ С ИСКУССТВЕННЫМИ

И ЕСТЕСТВЕННЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ ПРИ ЭКРАНИРОВАНИИ ВЗРЫВНОГО ИСТОЧНИКА НЕЗАПОЛНЕННОЙ ЩЕЛЬЮ

Существует несколько способов управления взрывным 叫 ствием. Одни из них предполагают использование на прж конкретных горно-геологических особенностей в строении родного массива. Проведение подземного взрыва с учетом i| щихся тектонических разломов, крупных трещин, условий гания и морфологии рудных тел позволяет в определенно# пени регулировать пространственные характеристики разруц породного массива.. j

Другие способы управления разрушающим действием 甫 химического ВВ основаны на проведении специальных мерс^ тий по совершенствованию конструкции и способов прим^

зарядов ВВ, либо создания в разрушаемом массиве искусствен- gHX неоднородностей.

На основе рассредоточения и конструктивного оформления зарядов ВВ (например, с использованием воздушных промежутков) удается достичь заметного эффекта при дроблении породы. 0рй использовании подземного ядерного взрыва возможности для рассредоточения и совершенствования конструкции зарядов ог-

В этом случае для получения требуемого гранулометрического состава и нужного его пространственного распределения необходимо либо применять вторичное дробление, на* пример, с помощью жидких ВВ [38], либо создавать в массиве искусственные компенсационные объемы.

Одним из важных технологических приемов, позволяющих ак- ^вно вмешиваться в процессы деформирования и разрушения среды при подземном взрыве (ослабление сейсмовзрывного эффекта, управление процессами, связанными с разрушением 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 управления разрушающим действием взрыва в достаточно широком интервале.

Наличие экрана в деформируемой взрывом среде (как искусственно созданного, так и естественного происхождения» - например, крупной трещины или тектонического разлома) усложняет анализ и прогнозирование последствий подземного взрыва и требует решения ряда специфических задач, таких как: опреде-1 ление ослабления интенсивности взрывного воздействия при переходе волны сжатия через крупное природное нарушение, лйбо 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 де(1юрмирования твердой среды в присутствии зкра・ на - незаполненной щели постоянного раскрытия £・ При постановке модельных экспериментов роль щелевого экрана выполнял плоский промежуток между двумя независимо приготовленными блоками модельной среды (тиосульфат натрия). Блоки устанавливались на поролоновой подушке» обклеенной микропористой резиной. Выбранная схема опыта позволила избавить- з от сигнала, огибающего экран конечного размера, и таким "разом удалось выявить влияние щели на параметры волны сжатия в чистом виде.

Скорость движения среды за щелью со временем определялась с помощью электромагнитной методики измерения массовых скоростей.

Задержка запуска регистрирующей аппаратуры на время за-

Рис. 5.1. Осциллограммы массовой скорости за экраном паздывания волны- А^ при переходе через экран произвс лась при необходимости с помощью, генератора прямоуголы импульсов Г5-15. Отрезная щель шириной 0,014 м/к「М < TQR < 0,08 м/кК^ организовывалась на различных стояниях от взрыва I < R., где R* - радиус зоны разруше при взрыве в монолитной среде (для тиосульфата на里 W丿炉戸■ 0,68 м/кг1/3).

В дальнейшем через w)(r) и 0(г) будем обозначать сооП ственно максимальную массовую скорость с расстоянием и br нарастания массовой скорости до уь Яри взрыве в моноли^ среде (без щелевого экрана), через MD и 仇(D - ма$ мальную скорость смещения дальней от взрыва стенки экран время нарастания в волне сжатия непосредственно за экрансн Характерные осциллограммы массовой скорости в среде, гороженной от взрывного источника щелевым экраном, привел на рис 5.1. Для щелей с 〃寸戶 < 0,4 м/кг/3 типичной е ляется осциллограмма а. для щелей с 〃炉戶 > 0,4 м/ (при e/gi戸 < 0,05 м/кг1^) - осциллограмма 仇 Наличие полного по амплитуде резкого (практически ударного) на тания скорости в момент прихода волны в защелевую обл[ при 〃qi" > 0,4 м/кг1/э связано, по всей видимости^ откольно-тарелочным характером разрушения материала срец области перед щелью. Действительно, среди возможных об нений наиболее вероятным в данном случае представлю 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 начину практически со свободной поверхности, что приводит к глщ эпюре массовой скорости в защелевой области.

Анализ временных параметров движения, полученных в э^ риментах со щелями, характеризующимися разными значения и I, показывает, что время запаздывания волны при пер^ через экран с хорошей точностью определяется соотношений М - e/l^CZ).G

Последнее говорит о близком к откольному характере рй шения среды при выходе волны сжатия на свободную поверх菱 экрана.

рнс 5.2. Максимальные массовые скорости за экраном шириной 6少/3= -0,027 м/кг1^; / - при взрыве без экрана; 2 - //я1/3 = &32 м/кг1/3; 3 - 0,49 м/кг1/1

Рис. 5.3. Максимальная скорость смещения дальней стенки экрана:

/ - максимальные массовые скорости при взрыве без экрана; 2 - £/寸戶 -0,013 м/кг1/3; 3 - 0,027 м/кг1 戶；4 - 0,055 м/кг1 戶；5 - 0,08 м/кг1 戸；а - экран соприкасается с зарядом (взрыв в воздушной полости)

Рнс. 5,4. Коэффициент экранировки для

МЗеЛ (обозначения см. рис. 5.3>

Регистрация массовой скорости в среде за экраном пок^ 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. Анал* чески влияние раскрытия щели на величину 81 можно вырази^ виде

6/8(/) ■ 553/gS); 0,014 < c/q】尸 < 0,05 м/кг4戸， ще £ - раскрытие щели, м; g ・ масса заряда, кг.

При этом следует отметить, что место расположения экр на времени нарастания практически не сказывается (оп^ тельная координата //q】戶 принимала в опытах значения 0,22 м/кг*/3 до 0,65 м/кг1/э.

Изменение амплитуды волны сжатия при переходе через ц вой экран наглвдно демонстрирует рис. 5.2, из которого i но, что наличие щелевого экрана существенно снижает инте| вность взрывного воздействия в твердой среде на расстоя^ к > / + Е. На рнс 5.3 приведена максимальная скор смещения дальней стенки экрана в зависимости от прамет巧 и £• Для сравнения на рис. 5.2 и 5.3 приведена зависим^ vb(r), полученная при взрыве в монолите (см. разд. 1.1).

Коэффициент экранировки взрывного воздействия (рис, * в среде по амплитуде волны сжатия к ■ Md(Z + £)/叽

Аналитически зависимость к (е, /) представима в виде

% н 80% н 80、叫 产 (О»О14 <£//< 0,05 м/кМз, —прИ J

% н 80

% н 80

1/3J [ qi/3j [о,25 < 〃qU3< 0 7 м/кг弋

к - 22(£历吟鉢 ПрИ U@a < 0,2 м/кг1/3.

Таким образом, экранирование взрывного источника сущ1 венно видоизменяет взрывной сигнал. Помимо непосредст! ного ослабления амплитуды волны сжатия, что с практиче^ точки зрения важно для снижения сейсмовзрывного эффе! щель является эффективным фильтром высоких частот. Дейс тельно, заметное увеличение времени нарастания при пере? сигнала через экран означает не что иное, как удаление ви кочастотных из спектра волны. +

Передача энергии через неограниченную щель осуществля в результате разрушения среды при выходе волны сжатия свсюодную 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

массу вещества, заполняющего щель в процессе движения, 8- завляет материал среды, расположенный первоначально в слое толщиной Д/ непосредственно перед щелью. Тогда плотность ”у^арннка” Ри (вещества, входящего в контакт с неподвижной стенкой экрана при разлете) оценивается следующим образом： р ■ р^А2/ (AZ + £),

1де Ро - начальная плотность среды (уплотнением в волне сжатия пренебрегаем).

Считая, что, во-первых, массовая скорость при выходе вол- нн сжатия на свободную поверхность удваивается (см. зависимость (5.1)], а, во-вторых, к материалу ударника применимы представления о сплошной среде, получаем в акустическом приближении

“ ■ 2c^lvQ(D/(c + *

где с и си - скорость звука в среде и материале ударника соответственно.

Предполагая, что степень связности материала ударника пропорциональна времени движения материала в свободном пространстве экрана, считаем с известной долей приближения, что скорость передачи возмущений с пропорциональна массовой скорости:

У 2%%⑺・

1 + £ZB*»/)1 + £ZB*»/)(5.2)(5.2)С использованием последних трех соотношений получаем

1 + £

ZB*»/)

1 + £

ZB*»/)

(5.2)

(5.2)

1 2

Для оценок естественно выбрать в качестве величины А2 толщину окольного слоя. В этом случае

(5.3)(5.3)а/ * —三工吗江!——

(5.3)

(5.3)

2p0v0(/> *

Ше т - длительность положительной фазы движения; <гот - прочность материала среды на отрыв.

Выражение (5.2) справедливо для вертикальной (отрезной) 屯ели. Для экрана, расположенного горизонтально под разру* маемым блоком породы (подсечка), вместо (Тот должна входить разность <гот - pog (Л + /), где Л - глубина взрыва.

С учетом (5.2) и (5.3) получаем

2"十 4%У0(1) 2яФt1(f0TГ2"十 4%У0(1) 2яФt1(f0TГ(5.4)(5.4)

2"十 4%У0(1) 2яФt1(f0TГ

2"十 4%У0(1) 2яФt1(f0TГ

(5.4)

(5.4)

Величина 无，рассчитанная по формуле (5.4) при 3 ■ 1800 кг/м3, с » 4500 м/с, |<г= 107 Па, 3*

£/炉戶=0,027 м/кг1^ приведена ниже для щелей, ? положенных на различном расстоянии от взрыва (значение 必 выбирались в соответствии с данными разд. 1J). Зд隱 представлены экспериментально найденные значения кМ циента экранировки 怎.

Коэффициент экранировки взрывного воздействия по амплитуде массовс роста в зависимости от удаленности щелевого экрана

〃0戸,м/кг1/3 0,220,330,49

М),м/с 903819

2 2,73,444,77

怎‘ 2,73,44,9

Необходимо отметить хорошее совпадение результатов ш лирования с данными, полученными при регистрации дви* реального массива горных пород при опытно-промышленном.) ном взрыве (см. разд. 4.3). Для указанного в| (〃дЗ 邕 0,44 м/к*) коэффициент экранировки ще/| экрана по максимальной массовой скорости составил велй в диапазоне 4+6 (разброс связан с различным расположу конкретных пунктов регистрации массовых скоростей ori тельно щелевого экрана). Эта величина хорошо согласуем результатами модельных экспериментов, приведенными внп£

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 сплошн! сиве. Возможность дополнительного разрушения породы п уплотнении в процессе заполнения экрана, а также соу： 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 проннцаемостн, причем большее разуплотнение обесп большую проницаемость. В качестве иллюстрации на р приведены полученные в настоящей работе результаты ф1 ционных исследований породного массива в промежутке 152

Рис 5.5. Проницаемость породного массива в промежутке между зарядом и вертикальным щелевым экраном

зарядом и щелевым экраном (в зоне влияния последнего) при Опытно-промышленном взрыве эквивалентной мощность А кт ⑵. Для сравнения на рис. 5.5 приведены результаты фильтрационных исследований разрушенного этим 冲 взрывом породного массива, расположенного в области, в которой влияние экрана отсутствует (/). 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 厶

Обращаясь к рис. 5.5 следует особо подчеркнуть, что помимо улучшения фильтрационных характеристик разрушенной среды в пределах блока экран снижает интенсивность взрывного воздействия в области за экраном.

Дальняя от взрыва стенка экрана служит своего рода 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 такАсе улучшает изоляцию отрабатываемого участка массива. При этом изолирующее действие экрана усиливается, если применять его на направлениях преимущественно возможной миграции жидких и газообразных тел (крупные трещины, тектонические разломы, области повышенной нарушенности и проницаемости).

Исследование гранулометрического состава разрушенной среды при взрыве со щелевым экраном проводилось в настоящей

работе на моделях, а также при опытно-промышленном ядернй! взрыве эквивалентной мощностью 2 кт.

При моделировании рассматривался взрыв сферического зар4 да массой 4 • 10"4 кг в канифоли, помещенной для предотвращу ния разлета разрушенного материала в специальную» обойму. И, учение гранулометрического состава разрушенного материала i помощью ситового анализа и микроскопирования (предварителв 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 <л> с расстоянием до взрыва г промежутке между зарядом и щелью носит немонотонный xapaw тер. Это хорошо видно из рис. 5.6, на котором представлен результаты эксперментов* В частности, из рисунка следуе* что по мере удаления от центра взрыва средний размер отдел! .ности в разрушенной среде сначала возрастает, затем уменыш ется，достигая в месте расположения щели локального миним) ма. Наличие более мелкой фракции в место расположения щелз как уже упоминалось, объясняется дополнительным разрушений материала среды при разгрузке и ударе осколков в неподвижна 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 монолитцой среде. Радиус зоны /у, в которой eg 154

Таблица 5.1 размер области влияния щелевого экрана

Параметры взрыва

Лабораторный эксперимент 位心-0,027 м/кМ)

Натурный взрыв (£/m-0,025 м/кг1 戶)

川陋М心R

0,440,650,981,3

0,270,40,60,85

0,44 0,24

必一 ,м/кР 分z3

0,170,250,380,45

1,281,191,291,11

0,2

1,22

не испытывает влияние экрана, приведен в табл. 5.1 для натурного и лабораторных экспериментов. Одновременно там же приведен относительный размер области влияния экрана

Примечательно,, что, несмотря на значительное отличие 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 материала в волне сжатия меньшё, требуется большая по размеру область для "набора” деформации, обеспечивающей заполнение экрана.

Разгрузка в незаполненное пространство экранирующей щелй( снижает интенсивность взрывного воздействия за экраном, в результате чего средний размер отдельностей в материале, расположенном на расстоянии г > / превосходит размер отдельностей, наблюдаемый на этих расстояниях при взрыве в монолитной среде.

Ослабляющее действие экрана приводит к уменьшению размера зоны разрушения. В частности, для щели с раскрытием E/gi/з н 0,027 м/крА размер зоны разрушения в направлении экрана можно выразить в виде 凡=&(〃&№,

Ще К* - размер зоны разрушения при взрыве в монолитной среде, причем для канифоли 衣*/^】戶 составляет 1,36 м/кг1^.

Ширина экрана е, как это было получено при изучении волновых характеристик взрыва, сказывается на интенсивности волны сжатия монотонным образом: при увеличении £ амплитуда волны за экраном падает. Было бы естественным предполагать, что степень дробления материала среды в непосредственной

155

Рнс. 5.7. Относительный размер ности в материале, заполняющем рующую щель раскрытия

7 ” / /д】/3 = 0,44 м/kJ戶；2 м/кг"; j - 0,98 м/кМ

близости от экрана также меняется монотонным образом при и менении ширины экрана в полном соответствии с потерями эн гии взрывного сигнала. Однако эксперимент показывает, средний размер куска в материале, извлеченном неписредсп но из щели (отбор производился в месте минимального расе ния от заряда до экрана), зависит от ширины экрана 6 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 I при вз(№1ве в монолитной среде. Из рис. 5.7 еле, что для щели, расположенной на фиксированном расстояни взрыва, оптимальное дробление осуществляется при некоо (вполне определенной для данного значения (/) ширине эк £ ■ £Од« 蟲алнтниескк зависимость еоп (0 можно вырази виде (м/кг1/3)

£сш/产« 0,02(〃产尸工

Из последней зависимости следует, что степень измен £Оп от I близка к степени изменения максимальной масс скорости в волне сжатия с расстоянием г. Последнее предс ляется естественным, поскольку время, в течение кото осуществляется дополнительное деформирование материала заполнении щелевого экрана, как это следует из (5Д), о но пропорционально Vo.

Некоторые качественные соображения позволяют объя существование оптимальной с точки зрения разрушен среды рины экрана £。巾 Действительно, при з^толнении экрана лым раскрытием разуплотнение разрушенного матерала огра но и его деформирование по этой причине практически стью происходит в ^стесненных** условях (компоненты те’ напряжений отличны от нуля). Увеличение степени деформ» ния материала среды при увеличении ширины экрана ве, этом случае к повышению качества дробления.

В случае экранов большой ширины разрушенный материал получает возможность разуплотняться со снятием нагрузки. Причем чем больше ширина экрана, тем больший относительный вклад составляет фаза "свободного" деформирования (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 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 средний размер отдельностей в материале, расположенном 匕 объеме, заключенном между зарядом и экраном. Обозначим: <也> - средний размер отдельностей в области между зарядом и экраном, <хо> - средний размер отдельности в той же по размеру области при взрыве в монолитной среде. Анализ экспери-х ментальных данных показывает, что применение экрана приводит к заметному повышению равномерности дробления в пространстве (см. рис. 5.7), причем степень дробления повышается. Это хорошо видно из данных, приведенных ниже. Данные содержат отношение <хг>/<хо>, характеризующее степень дробления при взрыве с экраном шириной £/炉"工 0,027 м/кг1^.

Относительная степень дробления среды при взрыве в зависимости от удаленности щелевого экрана с относительной шириной f/q，戶-0,027 м/кг^ 娥，м/кг1。.. 0,440,650,981,3

<&>/<№> 0,750,650,640,56

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 размером отдельности соответствует I - (0,7+0,9)К*.

Результаты исследования среды в зоне разрушения опытнопромышленного ядерного взрыва эквивалентной мощностью 2 кт приведены на рис. 5.8. Оценка среднего размера отдельности проводилась в этом случае на основе фильтрационных исследований разрушенного взрывом массива с помощью методики, описанной в разд. 2. Для сравнения рис. 5.8 приведены результаты непосредственного гранулометрирования отдельностей, проведенного в области между зарядом и щелевым экраном в этом эксперименте. Дополнительное разуплотнение среды при взрыве

1п1пр77“％)1п1пр77“％)экранаэкрана

1п1пр77“％)

1п1пр77“％)

экрана

экрана

Рис. 5.8. Зависимость среднего ря отдельности от относительного расстот ，｛- оценки по расходометрии; 2 ■ л метрирование осколков; 3 - в отсу-

Рис. 5.9. Распределение отдельностей ц размеру в среде при взрыве с экраном п(й расстоянии от взрыва

7 - 29 м; 2 - 36 м; 5 - 41 м; 4 - 54 м

с экраном значительно упрощает отбор разрушенного материал в указанной зоне. Распределения отдельностей по размеру, па лученные при гранулометрировании разрушенной взрывом горно породы на разных расстояниях от взрыва, представлены Е рис. 5.9 в координатах, характерных для распределения ?备 зина - Раммлера. ：

1S8

Представленные на рис. 5.8 данные, также как и результаты лабораторного эксперимента, свидетельствуют о более равномерном дроблении породы по объему в случае применения щелевого экрана. Одновременно наличие экрана ведет к существенному увеличению общего объема породы, раздробленной до более мелких фракций. Анализ свидетельствует, что относительный объем породы, разрушенной в результате экраниро* ванного взрыва до отдельностей, 50% которых имеют размер, меньший х, существенно больше по сравнению со взрывом в однородной среде.

При оценках предполагалось, что гранулометрический состав разрушенной породы описывается распределением Розина ■ 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 разрабатываемый блок породы только с одной стороны, то и в этом случае ожидаемый прирост эффективности достаточно высок и составляет около 10% энергии взрыва.

Более интенсивное дробление породы при взрыве с экраном достигается за счет частичного использования энергии, 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 предварительной подготовки массива путем создания незаполненных экранов, нужным образом оконтуривающих взрывной источник. При этом добавим, что создание экранов большой протяженнсюти - дело трудоемкое, требующее значительных затрат, которые окупаются только в случае проведения взрыва дробления достаточно большого масштаба.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СРЕДЫ ПРИ ВЫХОДЕ ВЗРЫВНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ

НА СВОБОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

Исследование эффектов, связанных с дополнительным воздействием на среду при выходе взрывного возмущения на ближнюю к заряду поверхность экрана, значительно упрощается, если из суммарного движения среды в волнах нагрузки и

разряжения вычесть составляющую, обусловленную прямой во窗 ной сжатия. Этого удается добиться с помощью приема, кота! рый используется при изучении динамических явлений в пред варительно напряженной среде.话

Схема эксперимента. В некотором ограниченном объеме мат! риала путем статической нагрузки запасается механическа! энергия. Затем в течение малого промежутка времени в мага риале организовывается свободная поверхность. Последнее в司 зывает распространение волны разгрузки в исследуемом объеме причем амплитуда волны определяется величиной предваритель^й запасенной энергии. Разгрузка приводит к взрывоподобном движению и, как следствие, к разрушению среды. Наблюдаешй процессы сродни происходящим при выходе взрывной волны сж^ тия на свободную поверхность. Прямая волна сжатия моделнр% ется в этом случае ступенчатой нагрузкой с нулевой массовд скоростью, а волна разгрузки является аналогом отраженна волны. При такой постановке эксперимента удается выделить * чистом виде эффекты, связанные с влянием самой свободной щ верхности.

Взрывоподобное движение среды при освобождении предвар тельно запасенной энергии и Сопутствующее ему разрушение н посредственно связано с явлением самопроизвольного разруп ния, которое наблюдается в природе в виде горных ударов.卜 следование указанного процесса в лабораторных условиях 31 чительно облегчается в случае специального выбора материа 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; тающих 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 нагру藁 ния с помощью электромагнитной методики измерения массовг 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 канифоль прессованный тиосульфат натрия (плотность около 1600 кг/м^ скорость звука 3500 м/с).f

Опыты проводились в плоской и цилиндрически симметрична 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 (лй 160i

рис» 5.10. Максимальная массовая скорость в канифоли /, 2, 4 и тиосульфате 3:

у - самопроизвольное разрушение; 2 - принудительное разрушение; 3 - принудительное инициирование; 4 - при использовании мягких прокладок

нейные в плоском случае и высота, внешний радиус Ъ и радиус внутренней цилиндрической полости а в цилиндрической постановке) и пороговое нагружение Рл, начиная с которого был возможен процесс самопроизвольного разрушения (потеря устойчивости системы). В плоском случае взрыйоподобное разрушение канифоли (хотя и незначительное по объему разрушающегося материала) наблюдалось при нагрузках 20 МПа* При опытах в цилиндрической постановке Рп составило для канифоли 50 МПа, для тиосульфата натрия * 20 МПа.

Взрывоподобное разрушение изучалось как при самопроизвольном, так и в случае принудительного инициирования процесса (применение сдерживающей преграды, разрушаемой при достижении заданной нагрузки). В целях стабилизации процесса по величине предварительного нагружения и облегчения синхронизации регистрирующей аппаратуры основное количество опытов проводилось с помощью принудительного инициирования.

Разрушаясь при освобождении подпора, вещество двигалось к оси симметрии, плотно заполняя собой цилиндрическую полость. Интенсивность процесса определялась запасенной в результате предварительного нагружения энергией

бн у РЬб皤紋рос».

W о。- плотность материала; Кб - объем образца.

Результаты измерения массовых скоростей представлены на Рис. 5.10 в виде зависимости максимальной массовой скорости % волне разгрузки Уо от радиального расстояния г. В нескольких экспериментах удалось зафиксировать величину w в кани- Фоли при разгружении без применения сдерживающей преграды.

22Qo@ vioVo622Qo@ vioVo64(д2- а2)4(д2- а2)

22

Qo@ vioVo6

22

Qo@ vioVo6

4(д2- а2)

4(д2- а2)

Рис. 5.1L Длительность волны разгрузки в 4 фоли при самопроизвольном (/) и принудитец! (2) инициировании

Оказалось, что массовые скорости примерно одинаковы в сл] ях самопроизвольного разрушения и разрушения с применен преграды (в обоих случаях предварительное нагружение ха] теризовалось одной и той же величиной А ■ 50 МПа).

Полученные зависимости v0 (г) хорошо описываются фор^

Vo = Vio(a/r)3,Q

где Рю м 10 м/с для канифоли и Ую « 2 м/с для тиосульфа^

Длительность волны разп)узки т приведена на рис. 5л составляет в среднем около S・ 10"4 с.*

Поскольку длительность волны существенно превышает в пробега возмущения по среде (около 10-5 с), можно счи) что по радиусу скорость распределена также согласно зав мости (5.5), Тогда кинетическая энергия среды в момент стижения максимальных скоростей

и составляет 1-2% запасенной энергии &・

Представляет определенный интерес рассмотрение влщ жесткости налегающих и подстилающих слоев на формирующее процессе разлета материала движение. Для этого проводк| опыты^ в которых исследуемый блок канифоли помещался 讨 двумя резиновыми шайбами, вырезанными из литой черной р" толщиной 4-10'2 м. Результаты измерения массовых скорой полученные при нагрузке 50 МПа, также приведены на рис. (пунктир). Видно, что применение мягких прокладок прак^| ски не сказывается на амплитуде волнового движения матер при разлете.

Изучение разрушения материала с помощью контактных д@ ков позволило установить годограф фронта разрушения, pad страняющегося по среде при разгрузке материала. Резуль эксперментов приведены на рис. 5.12. Из рисунка видно,; фронт разрушения материала отстает от вступления волны |

Рис. 5」，Годограф волны разгрузки (/) и фроита разрушения (2, 3) при самопроизвольном разрушении (2 - расчет по модели； 3 - эксперимент)

режения, причем с хорошей точностью можно считать, что максимальная скорость движения материала достигается при его гшении. Скорость распространения фронта разрушения N®, ie говоря, падает по мере продвижения в глубь материала среды. Однако с точностью до разброса экспериментальных 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 £六.Время достижения деформации £产 определяется условием 4 = (г - а)^ф.

Максимально упрощая оценки, будем считать, что в начальный момент времени (радиус фронта разрушения 及р совпадает с радиусом незаполненной цилиндрической полости а) распределение радиальной деформации в среде £尸(г) носит степенной характер

%(г) - £戸［(%-Г)/(拠-a)0，(5.7)

Be b^ - некоторый предельный размер области разрушения материала среды. В частности, при модельных экспериментах за величину 方* 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-

венно отражает тот факт, нтз материал, расположенный в гл бине, энергетически более удален от разрушения, чем мате| ал, находящийся у свободной поверхности.

Запишем баланс энергии в виде

气 w %%「у(5 ⑻

где 气■ 0,5 ро诵-кинетическая энергия единицы объема м;

риала в момент его разрушениядоля начальн

энергии еи, расходуемая на процессы, не связанные с диа нацией; ei ・ уменьшение запаса энергии в результате ynpyi го деформирования материала среды.

Из (5.8) с привлечением (5.7) получаем

Из последней зависимости следует, что скорость движен свободной поверхности (г - а) -

V10 - а^2Р/рос,(5.1(

С другой стороны величину ую легко определить, записш) условие на стационарном фронте разрушения без противодав! ния. В результате имеем!

v10 - "%/PW，(5Л1)|

Ее 6々-нормальное к фронту нагрузки напряжение, причем；

<г =■ -vP/(1-p).

Сравнивая между собой (5.10) и (5.11), получаем

% -卢/⑴D)2(5，V

Результаты оценок максимальной массовой скорости в ср по формуле (5.9) с привлечением (5.12) приведены ниже ( совместно с экспрементальными значениями уь для некого! расстояний г (Р - 50 МПа для канифоли, Р - 20 МПа для f сульфата натрия). В качестве £尹 выбирались значения 0,6 для канифоли и 0,05% для тиосульфата натрия, /^ « 5. Максимальные массовые скоросш при разлете среды —

尸0, м 05*10-3102

V10. М/с 12/1,65,2/0,72,4/03

Vo. м/с 9-10,5/1,7-2,53,5-5/0,851,5-2,5/Q^

Примечание. В числителе приведены данные для каниф| в знаменателе - тиосульфата натрия.

164

рис. 5.13. Гранулометрический состав канифоли, разрушенной в плоской волне разгрузки:

/ - р - 150 МПа; 2-50 МПа

Формула (5.9) описывает максимальную скорость движения на разном удалении от свободной поверхности с вполне удовлетворительной точностью, что в свою очередь подтверждает допустимость сделанных предположений.

Приведенное рассмотрение ие зависит от геометрии изучаемого процесса. Это позволяет в принципе определить размер зоны разрушения Ь* при отсутствии жестких траничных условий, задаваясь критической скоростью у*, при достижении которой материал способен разрушаться. Действительно, принимая зависимость (5.7) в виде

£* - £^(a/r) с, получаем

'£2 (1+У)(1-2V)'

Ь* = а ?：.

L €^Ф(1+Р) (1-2P) + (1-V) (v#/c)2-aCp(l-P) (P/рос2)2 .

(5.13)

Конкретное значение b* устанавливается отдельно для каждого матерала на основе экспериментальных оценок величин % J.f

Основные закономерности разрушения изучались при плоской волне разгрузки. В частности, проводилось определение гранулометрического состава разрушенной в результате разгрузки

грузкигрузкиРис» 5.14. Зависимость относительного обье^ разрушенной канифоли от приложенной 讨

грузки

грузки

канифоли. Было установлено влияние величины предварительна нагрузки на степень дробления материала. В качестве пример на рис. 5.13 приведены гранулометрические составы разрушай ного материала для некоторых Р. Из рисунка хорошо видно, ч| увеличение предварительной нагрузки приводит к более интей сивному дроблению среды (средний размер отдельности в разр】 шенном материале уменьшается) и более равномерному 口ро血 нию. Здесь следует отметить, что приведенные на рнс. 5. данные соответствуют рассеву равных по величине о&ьемов ' териала, взятого из прилегающей к свободной поверхности ласти. Это существенно, так как увеличение общего объ 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 匕,отнесен]

к объему разрушенного материала при 尸=50 МПа, когда з 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 <х> и параметра дисперсии грансостг п от давления Р представимы в виде

«> = 2,4-Ю ^ 0-5 м,九=0Q52P叫

где Р - давление, Па.

Рассмотренные в настоящем параграфе эффекты являются солютными и описывают качественно и в какой-то мере колн ственно влияние незаполненного экрана на гранулометрическ состав разрушенного при взрыве материала среды. Глубина рг рушения среды в экспериментах по самопроизвольному разруи 166

нию определяет характерный размер области изменения гранулометрического состава взорванной массы вследствие экранировки взрывного источника - области влияния экрана.

МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ДЕФЕКТАМИ

Количественное описание процесса разрушения твердой среды при взрыве - задача не простая, требующая рассмотрения целого ряда вопросов, связанных с нагружением и деформированием среды в динамике. Распространенная постановка задачи о разрушении твердой среды, постулирующая в качестве критериального какое-либо предельное напряженно-деформированное состояние (достижение прочности на отрыв, сдвиг и т.п.), при переходе к динамике требует привлечения дополнительных сведений о характере и количественном изменении критерия разрушения в зависимости от скорости нагружения, вида напряженного состояния, а также степени деформирования конкретно рассматриваемого элемента среды. Последнее приводит к необходимости рассмотрения дополнительных, зачастую весьма трудоемких задач механики деформируемого твердого тела. Помимо этого сложность построения математической модели разрушающейся среды при таком подходе ограничивает возможности 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 нарушенности твердой среды при взрыве, является рассмотрение процесс распространения системы взаимодействующих трещин. Указанный подход весьма перспективен с точки зрения построения точной математической модели разрушения. Однако получить таким путем функциональные зависимости, которые позволяли бы проводить количественные инженерные оценки, в настоящее время не представляется возможным.

Предлагаемая модель описывает интенсивность разрушения твердой среды при динамических воздействиях взрывного характера на основе аналитического описания без конкретизации механизма разрушения и может быть использована для практических оценок трещиноватости и блочности горного массива, 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 преимущественными путями распространения зародившихся трещин.

Для построения аналитической модели воспользуемся следую-

щими представлениями о среде и характере распространен» трещин. Предположим^ что первоначально среда содержит в с& скрытые дефекты, равномерно распределенные по объему. Одн( временно будем считать, что зародившиеся в результате динй мического воздействия трещины распространяются по среде | по магистральным направлениям, как это принято считать, а《 дефекта к дефекту. Таким образом трещины блуждают по ср甌 выдерживая в среднем некоторое выделенное, например, зсл@ ствие геометрии деформирования, направление.

Такой подход позволяет привлечь для описания миграции Q дельной трещины в пространстве вероятные представления и, частности, схему случайного блуждания. В случае блочн^ структуры в качестве дефектов выступают участки пересечен^ граней соседних структурных элементов.:

Будем рассматривать задачу применительно к взрыву сф啦 ческого, либо цилиндрического заряда, когда фронт распр страняющихся в пространстве трещин представляет собой 响 рическую (хщлиндрическую) поверхность, а выделенное й правление совпадает с радиальным.

Рассмотрение начнем со случая дискретного блуждания, & нимая под шагом процесса отдельный акт распространения tj щины от дефекта к дефекту. Обозначим: Аг - кратчайшее р стояние между скрытыми дефектами в среде; с - скоро распространения трещин в среде.

Пусть на некоторой поверхности sq, расположенной на 工 стоянии Ко от центра взрыва, в результате динамического гружения материала возникло N* трещин. Вероятность того, Л-й шаг дискретного блуждания приведет отдельно взятую R щину к произвольной поверхности s, следует выбрать в виде Ps上上G(5」4) 用

где Ms, 2) - количество трещин, достигших поверхности 承 результате к шагов. Под поверхностью s здесь понимается : верхность, коаксиальная с so.

Далее мы будем строить формализованную аналитическую > дель, опуская рассмотрение причин, вызывающих ту или ия закономерность миграции отдельной трещины. Вероятность М что трещина, достигшая в момент времени £ поверхности s ' стигнет за время Af "соседней" (более удаленной от $3 ( верхности s + As, определяются скоростью @ и углом j которым трещина выходит с поверхности s. Факт достиже! трещиной более удаленной поверхности s + As за один шаг! традиции будем называть "успехом”.飞

Переходя к пространственному представлению и, предпе^ гая, что все возможные направления распространения трещи равновероятны и ограничены телесным углом 2п(0 < <Хт < я/ запишем вероятность успеха 尸帆 без учета возможного по) щения трещин в результате пересечения в виде

168

Al «*◎叫

me q н 27r(Ar)2｛『а* - телесный угол, распространяясь внут- •ри которого трещина достигнет за один шаг соседнего，дефекта, расположенного в точке пересечения рассматриваемого радиального направления и поверхности s + As.

Следует подчеркнуть, что величина з* определяется не только плотностью скрытых дефектов, но также сечением ”за- хвата” дефекта (его размером).

Полной вероятностью успеха 尸底 назовем вероятность достижения трещиной соседней поверхности s + As за один шаг с учетом поглощения трещин при пересечении. Явное выражение для 尸в2 можно получить, предполагая, например, что трещины, не достигшие поверхнсюти 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

Рв2 н 尸Bl + -yd -尸Bl) к "2~ + 7W* (5.15)

Так как блуждание трещин происходит в пространстве, существует по крайней мере шесть независимых направлений возможного перемещения вершины индивидуальной трещины. В нашем случае (% <'я/2) таких направлений не менее пяти. * При этом относительное количество соседних дефектов, расположенных в пределах одной поверхности s, составляет величину Вт ~ 4/5.

Случайное блуждание в пространстве не подцается простому аналитическому описанцю. В целях упрощения расчетной модели сведем задачу о блуждании в пространстве к блужданию объекта иссследований ъдоль прямой. Фактически это было сделано при введении вероятности успеха в выделенном направлении 尸в2・ Действительно, рассматривая, направление в качестве выделенного и задаваясь вероятностью успеха для продвижения в положительном направлении (от центра взрыва) в виде (5.15), мы заменяем задачу о блуждании трещины в 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& Дополнительное событие, имеющее вероятность (1-Рвг), состоит в том, что вершина трещины не перемещается в положительном направлении (требование к возвращению вершины трещины на один шаг отсутствует). С учетом сказанного за- пишем конечноразностное уравнение для 巨$氏 в виде

% Ы - ^В2 ^-ДМ + 弟1弋2叫片 (5.16)

Первое слагаемое в правой части уравнения (5.16) в пояс- 169

нении не нуждается. Второе слагаемое, в соответствии с те ремой о сложении вероятностей, описывает возможный прозй трещин со стороны дефектов, расположенных на соседних 也 чах. Значение параметра Вт в случае дискретного блужданий как мн убедились близко к единице.

В пределе AZ —> 0 дискретный процесс блуждания переход в непрерывное движение, причем с дсхггаточной для прак雪 ческих оценок точностью рт —* 1. Переходя к функциональна обозначениям, перепишем (5.16) в виде

Ръ(г9 f + ДО ^ Рв#в(六Аг, Г) + (ЬРв2)Рв(г, О, отсюда, разлагая функции от Z + △/ и г - Дг в ряды Тэйлора； сохраняя в разложении члены не выше второго порядка,石 лучаемj

-^ н -2% -^ + Вв —^,(5.1；

dt3尸dr2

^"十(1+夫)肥。(备)；

Рв ■ N(r, t)/N^ ^(r> 0 - суммарное количество трещин, л стиппих координаты г за время f・

Уравнение (5.17) представляет собой уравнение Фоккер^ Планка, описывающее плоскую диффузию при наличии точения1 скоростью %. Таким образом удалось существенно упрости* аналитическое описание преддождий физической модели, г скольку, несмотря на пространственный характер блуждав трещин, модельное уравнение (5.17) формально совпадает ； уравнением плоской диффузии для суммарного количества треп? на произвольной поверхности s(r). Отметим, что предложена аналитическое описание процесса распространения трещин в : личие от классического диффузионного процесса более оправу но физически, поскольку применительно к протяженным трещиц< трудно подобрать какой-либо параметр, с помощью котор можно было бы характеризовать первоначальную концентрах^ объектов исследования в ограниченном объеме среды в пред! ложении их дальнейшего распространения в пространстве.

Приближаясь к физической модели взрывного разрушения В ды, будем считать трещины плоским% а изменением трещинв гости среды на фиксированном расстоянии г, вследствие не' носа массы, пренебрежем (vB』0). В этом случае трещина гость среды 入(г) при взрыве как сферического, так и цили рического заряда выразится в виде

入⑺Н^(л。◎冗乩

а для определения функции ^(r, 0 получаем следующую смешанную задачу

期红巨 н Db 承*"/),(5.18)

dta?

(5.19)(5.20)(5.19)(5.20)MR。, D = №;期^1« 0 ;

(5.19)

(5.20)

(5.19)

(5.20)

г^Лф

L 0; N(r, 0) n № н const,

где № 工 2冗及*入о； Ло - начальная трещиноватость массива горных пород.

Предельное условие на границе г = К* в случае ограниченного во времени процесса (каковым и является разрушение при взрыве) означает невозможность скачкообразного завершения процесса распространения трещин 4 (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 (5.18), (5.19)

у -f-、R*-Re )，» = 1, 2，з,…,л

и соответствующие им собственные функции

f. = sin 匕(「- RJ, i = 1, 2, 3,…，n.

В результате решения смешанной задачи (548)-(5.20) получаем

со sin U-*А f

Ng f) = N* ■ *(NhN。£贵j 一。• e ' в ・(5.21)

Для оценок остаточной нарушенности массива (/ —► т + + К*/с), где с - скорость звука в среде; т - длительность взрывного воздействия), как будет показано ниже, достаточно ограничиться первым членом суммы. В этом случае трещиноватость массива представима в виде

(5.22)

Рис. 5.15. Средний размер отдель- ноет в среде при крупномасштабном подземном взрыве:7 - расчет при Ко ■ 15 м, &* ■Рис. 5.15. Средний размер отдель- ноет в среде при крупномасштабном подземном взрыве:7 - расчет при Ко ■ 15 м, &* ■Рис. 5.16. Средний размер от; ности в среде в момент окон* взрывного движения (взрыв М массой 4 ТО" и- в канифоли): j J - расчет при R。- 0,02 м;《 -0」м; N* - 600, № - 0» I -10 м/с; 2 - расчет по (4.20)； экспериментРис. 5.16. Средний размер от; ности в среде в момент окон* взрывного движения (взрыв М массой 4 ТО" и- в канифоли): j J - расчет при R。- 0,02 м;《 -0」м; N* - 600, № - 0» I -10 м/с; 2 - расчет по (4.20)； эксперимент

Рис. 5.15. Средний размер отдель- ноет в среде при крупномасштабном подземном взрыве:

7 - расчет при Ко ■ 15 м, &* ■

Рис. 5.15. Средний размер отдель- ноет в среде при крупномасштабном подземном взрыве:

7 - расчет при Ко ■ 15 м, &* ■

Рис. 5.16. Средний размер от; ности в среде в момент окон* взрывного движения (взрыв М массой 4 ТО" и- в канифоли): j J - расчет при R。- 0,02 м;《 -0」м; N* - 600, № - 0» I -10 м/с; 2 - расчет по (4.20)； эксперимент

Рис. 5.16. Средний размер от; ности в среде в момент окон* взрывного движения (взрыв М массой 4 ТО" и- в канифоли): j J - расчет при R。- 0,02 м;《 -0」м; N* - 600, № - 0» I -10 м/с; 2 - расчет по (4.20)； эксперимент

■ 80 м, № - 166, А ■ 6000 м/с; 2 - то же» на основе зависимости (4.20); 3 - эксперимент

A用3"М

Рис. 5.17. Зависимость трещиноватости среды (взрыв в канифоли) от времени с момента взрыва: 7 - 10 с; 2 - 18 с; 3 - 48 с

Рис. 5.1 & Годограф взрывной ■ (7) и фронта разрушения (2, 3)г (2 - расчет по модели; j - э 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> н 1/入 с расстоянием г для крупномасшабного и модельного взрывов» Для сравнения на этих же рисунках представлены результаты экспериментального исследования остаточной блочности среды, полученные выше. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов говорит о возможности использования зависимости (5.22) для практических оценок остаточного состояния массива при соответствующем выборе параметров модели. При этом следует отметить, что отличие коэффициентов диффузии для модельного и крупномасштабного взрывов 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 крупномасштабным воздействием.

Применим диффузную модель для описания динамических характеристик процесса взрывного разрушения^ В частности, на рис. 5.17 представлена трещиноватость среды Л при взрыве для разных моментов времени, вычисленная с использованием (£21). Характер зависимости 入 (г) позволяет выделить фро!гг разрушения, за координату которого можно принять кооординату перечисления касательной к кривой 入(г) в точке, где производная 乎入/8，принимает максимальное значение, с осью абсцисс. Полученный таким образом годограф фронта разрушения представлен на рис. 5.18 совместно с экспериментальной [68] зависимостью Kp(f), те Кр - радиус фронта разрушения.

Помимо чисто взрывного источника энергии динамический процесс разрушения твердой среды может быть вызван предварительным накоплением механической энергии в некотором ограниченном объеме с последующим скачкообразным изменением напряженно-деформированного состояния среды. Взрывоподобный характер указанного процесса позволяет использовать для описания диффузную модель разрушения» Так же» как и в случае взрывного воздействия, предложенная расчетная модель позволяет оценивать степень нарушенности среды со временем, а также годограф фронта разрушения.

В качестве иллюстрации^ на рис. 5.12, совместно с экспериментальными результатами, представлен вычисленный с использованием настоящей расчетной модели годограф фронта разрушения для процесса самоподдерживающегося разрушения в случае осевой симметрии (схлопывание циливдрической полости при нагружении). Под величиной Ко в данном случае подразумевается радиус первоначально незаполненной цилиндрической полости (радиус поверхности первоначального возникновения трещин).

В заключение следует отметить, что предложенная в настоящей работе модель разрушения имеет описательный характер, в аязн с чем не претендует на объяснение физических процес-*

сов, сопутствующих нарушению твердой среды при динамич^ воздействиях. Несмотря на это, лежащие в основе модели | ставления о характере блуждания трещин, а также налича первоначально монолитной среде скрытых дефектов, распад ние которых определяет конкретный путь миграции отдел трещины, могут представлять определенный интерес и向 строении теории динамического разрушения с учетом имею询 в среде ослаблений, определяющих дискретный характер др| ния материала (размер отдельности, как это следует из разрушения, должен быть кратным расстоянию между 口ефек^ в нашем случае - размер блоков, составляющих массив roj пород).

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 час^ 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 三 физическая среда на каждом из иерархических уровней м© быть представлена в виде совокупности перемежающихся уч ков некоторого объема К (/ « 1, 2, 3, ..., л), характер? ющихся разными физико-механическими свойствами» 才

Ранжирование структурных элементов среды естественно 1 водить с учетом имеющихся в горном массиве структурных щ шении. Наиболее крупный структурный блок, в пределах кот| го мы будем рассматривать наиболее значимые необратимые | явления подземного взрыва, отнесем к нулевому рангу 九； 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 с# допустимо присвоить ранг п - 0, 1, 2,…，N、N - R бина иерархического деления. При этом кластер в виде ие| хически соподчиненной структуры блоков рангов п + 1, п ? …，N выступает в роли самостоятельного структурного 矶 ранга п и одновременно является подчиненным структуре элементом блока ранга n - 1.

Сформулированная таким образом модель иерархичес структуры реальной геофизической среды включает блоки раЦ п * 0, 1, 2,…,^ и области, ослабления прочности породу массива (промежутки между блоками разного ранга}. Причем 174

刀=〃〃=/R=Z

Рис. 5.19. Схема ранжирования структур：

а-л-0;б"П-1;в-л-2

пределах каждого кластера среда существенно гетерогенна и включает области 匕 с различными механическими свойствами (блоки горной породы, кластеры более высокого ранга, промежутки между блоками).

Математический аппарат для описания процесса деформирования сложной блочной системы в настоящее время не разработан. Способы усреднения деформационных характеристик по пространству (приближение однородной сплошной среды) не позволяют описывать локальные подвижки при взрывном деформировании блочной среды. Это приводит к необходимости разработки специальных приемов описания процессов деформирования и 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 прочностными характеристиками отдельных его частей (блоков и промежутков между ними), а во-вторых, характером формоизменения его кластеров. В зависимости от параметров внешнего воздействия формоизменение структурных элементов, состакпяющих конкретный кластер, может быть согласованным либо несогласованным. В зависимости от этого состояние кластера в данный момент времени t можно определить как консолидированное либо неконсолидированное [331.

Полагая, что по мере возрастания деформации сначала реализуются консолидированные состояния структурных элементов всех уровней, выделим следующие основные этапы деформирования структурно неоднородных сред.

Первый этап - обратимое формоизменение структурных блоков. На этом этапе деформирование составных структурных элемехтгов происходит при согласованном формоизменении всех составляющих его частей в пределах упругости и без нарушения сплошности средн. Возникающие вследствие неоднородности среды концентрации напряжений полностью определены внешним

Рис. 5.20. Этапы деформирования неоднородной среды:а - исходное состояние; 6 - обратимое формоизменение блоков; в - н^ тимое согласованное формоизмерение блоков; d - несогласованное ф(^м менение блоков; J - блок; 2 промежуток; 3 - пластическая несовй ность; 4 - несплошность)Рис. 5.20. Этапы деформирования неоднородной среды:а - исходное состояние; 6 - обратимое формоизменение блоков; в - н^ тимое согласованное формоизмерение блоков; d - несогласованное ф(^м менение блоков; J - блок; 2 промежуток; 3 - пластическая несовй ность; 4 - несплошность)

Рис. 5.20. Этапы деформирования неоднородной среды:

а - исходное состояние; 6 - обратимое формоизменение блоков; в - н^ тимое согласованное формоизмерение блоков; d - несогласованное ф(^м менение блоков; J - блок; 2 промежуток; 3 - пластическая несовй ность; 4 - несплошность)

Рис. 5.20. Этапы деформирования неоднородной среды:

а - исходное состояние; 6 - обратимое формоизменение блоков; в - н^ тимое согласованное формоизмерение блоков; d - несогласованное ф(^м менение блоков; J - блок; 2 промежуток; 3 - пластическая несовй ность; 4 - несплошность)

возмущением. После снятия внешней нагрузки среда воз| щается в исходное состояние.§

Второй этап деформирования гетерогенной среды - необр" мое согласованное ({юрмоизменение структурных блоков. На 豈 этапе согласованность формоизменения структурных элеме! всех уровней достигается за счет образования областей g стической несовместимости деформаций на границах уча(^| К, отличающихся механическими свойствами (рис. 5.20). J формирование осуществляется без нарушения сплошности ср за счет того, что образующиеся на отдельных участках прочных элементов (линеаменты, материал - заполнитель прц 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 нагру^ В результате в гетерогенной среде возможно возникновение F ментов сил, действующих на кластеры либо отдельные струэя1 ные элементы./?

Третий этап деформирования - несогласованное формой^ нение структурных блоков. На этом эатпе деформирова структурных элементов сопровождается нарушением сплопеЙ ти среды.*

Количественное описание предложенной качественной 乂皿 деформирования структурно неоднородной среды может быть полнено разными способами. Приведенный ниже способ описав наиболее значимых с практической точки зрения второго и * тьего этапа деформирования иерархически структуризоваШ геофизической среды основан на использовании элементов 才 рии деформирования композитов [47, 53]. Первый этап ле описывается в рамках классической упругости составных сред^

Будем характеризовать деформацию коцкретного i-ro ст口 турного участка произвольно взятого кластера ранга п те» ром локальной деформации £® « е° + а,

тде е° и €♦ - соответственно упругая и пластическая сост 176岳

дяютая, и тензором средней по объему i-ro участка дефор- манией

с г营⑷=耳+ е*,

=характеризующей формоизменение i-ro участка как однородного _ целого.„—)

Здесь £； = £?; £； н е*; двумя чертами сверху обозначена операция усреднения по объему К.

Вводя в рассмотрение флуктуации упругих и пластических . деформаций на фоне средних по макрообъему V (фактически по ' объему кластера рассматриваемого ранга /г) [53]:

飼Н斗一吟

где £)ё° « £°, £卩：=云上=ё (чертой сверху обозначена ，операция усреднения по объему V), записываем условие сплошности деформируемого кластера:

£； + £j н £戸 £у в виде

Де® + Де* = 0・(5.23)

Последнее соотношение означает, что в случае возникновения пластических несовместимостей (Де* * 0) сплошность среды сохраняется только при возникновении упругих деформаций, величина которых Де® * - Аб；. В случае невыполнения условия (5.23) (значение упругих деформаций является недостаточной для компенсации пластических несовместностей) процесс деформирования осуществляется с потерей сплошности среды: происходит дисклинация данного кластера по одному из уровней ослабления прочности. Следует отметить, что возникающие в теле ранга я несплошности облегчают его формоизменение как Целого* Это ведет к тому, что образование пластических не- совместностей при деформировании блоков более низкого уровня ^ - 1) задерживается и наступает при большей деформации.

Процесс дисклинации» происходящий на конкретных уровнях ^давлений массива горных пород, может рассматриваться таким уразой в качестве одного из наиболее вероятных механизмов формирования диссипативных структур в геофизической среде - ^Руктурных элементов определенного ранга 〃*, деформация ко-

蹙 11PH внешнем энергообмене в значительной мере определя- @ °бщую деформацию среды.

Отметим также» что введенные в рассмотрение тензоры 明 Де* характеризуют деформированное состояние х-го элемент! отношению к деформации макрообьема (кластера в целом).] позволяет рассматривать деформацию каждого структурного ] мента в терминах флуктуаций Де®, Де* по отдельности нея симости от деформации соседных элементов [53]. ]

Деформирование среды при взрывном воздействии явля одним из наиболее важных процессов с точки зрения нраЕ скоро применения крупномасштабного подземного взрыва. В i связи наибольший интерес представляет описание движения | личных структурных элементов неоднородной среды, вообще воря, вне зависимости от значения достигаемых напряжен которые сами по себе не определяют масштабы необратимых > явлений. Вместе с тем анализ напряженного состояния тюз减 ет принять причину и установить возможные пути развития^ или иных деформационных процессов.

По аналогии с тензорами е°, £♦ и Де? введем тензоры： пряжений ст., усредненных по i-му участку кластера ранга； их флуктуацию на фоне макронапряжений。炉

А、= q ・ оу (5.1 где (г.』5产；；by м “ (i|

- обобщенный модуль деформации, средний по учасг

Индекс :, как и ранее, характеризует принадлежность вел конкретному участку среды. По этой причине для обозная| произведения матрицы s. на тензор 耳 введен знак С). В= крытом виде произведение (5.25) имеет вид: :

乩

入卢2G.

%人i

0

0 0

c

(Гм

入.

入产Gj£

0

0 0

e

<Гзз

入. 丄

% AW

0

0 0

£

<Г12

0

00

g

0 0

g

<Га

0

00

0

G. 0

*

oil

0

00

0

0 Gi

€

i^e Л. и G. - параметры упругости »-го участка среды.

Обозначая через А, - матрицу флуктуаций обобщенного модуля деформаций на фоне среднего по макрообъему % = ；, подучаем с использованием (5.23)-(5.25) выражения для величин 叩 и Aq в виде *

叩=S。十А》％，

Aq = ■*△£)+ As 产、+ As/%*(5.26)

Отсюда легко определяется велчина остаточных внутренних напряжений (после снятия внешней нарузки: сг^ —> 0):

Ас = 5. Г^ЧА^Де*) -(5.27)

Из соотношений (5.26) и (5.27) следует, что возникающие при деформировании неоднородной среды пластические несовместности вызывают появление внуренних напряжений, которые остаются в среде и после снятия внешней нагрузки. При этом величина внутренних напряжений (в том числе остаточных) определяется не только флуктуацией деформации, но также разницей между модулями деформации отдельных участков рассматриваемого структурного кластера А,.

Если говорить об изменчивости реальной геофизической среды под действием естественных процессов, либо в результате возмущений техногенного происхождения, величину А, допустимо рассматривать в качестве параметра, характеризующего ослабление (в известном смысле нарушенность) конкретного участка средн. В этом случае соотношения (5.26) и (5.27) позволяют прогнозировать поведение реальных структурно неоднородных сред при взрыве. Действительно, как это следует из (5.26) и (5.27), при одинаковой интенсивности взрывного нагружения более сильные необратимые эффекты должны наблюдаться на тех участках горного массива, где начальная нарушенность выше. Ниже будет рассмотрено экспериментальное подтверждение сделанного утверждения*

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ПУСТОТНОСТИ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ НА РАЗРУШАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА

Результаты исследования изменения свойств среды при подземном взрыве, приведенные выше, а также имеющиеся в литературе данные [60], показывают, что нарушенность (в частности, Проницаемость) массива горных пород в результате взрывного

воздействя увеличивается, причем по мере падения интенси! сти взрывного возмущения (например, с расстоянием от взр| нарушенность среды монотонно убывает. Однако необходим» метить, что, во-первых, все известные исследования нар河 ности среды при подземном взрыве проводились в средах,J рактеризующихся малой начальной нарушенностью, а во-втм анализировались усредненные характеристики. Эксперименн ные данные рассматривались в совокупности на основе гипМ монотонного изменения параметров. Разброс экспериментал^ результатов относился за счет точности проводимых измере и влияния случайных факторов*；

Более подробные исследования показывают существенную 电 начальной нарушенности среды в процессе формирования вз货 ного разрушения.

С целью изучения поведения твердой среды, характер^ ющейся разной начальной нарушенностью, ми взрывном 1 действии в настоящей работе ставился лабораторный э^ римент, в результате которого определялось изменение | ницаемости образцов после воздействя на них ударной наЕ разной интенсивности. Эксперимент заключался в следую^ Плоский образец из цементно-песчаной смеси (диаметром м высотой 1,5* 10'2 м), заключенный в цилиндрическую обо| подвергался действию воздушной ударной волны с одного? торцов.；

Ударная волна инициировалась сферическим зарядом ВВ ? сой 27-10-3 кг, расположенном на различных расстояния^ поверхности исследуемых образцов. Проницаемость образцоц и после эксперимента сравнивалась между собой.

Схема проведения эксперимента (определение фильтрац^ ных характеристик) представлена на рис» 5.21. Иссле^о喻 образцы с начальной пористостью 10; 14; 18 и 22%, вм жанные в течение нескольких месяцев. Колебание порист образцов одной серии эксперименов не превышало 10%. Сра значение коэффицеита проницаемости цементно-песчаных : разцов различной пористости До взрывного воздействия ж ведено ниже (разброс коэффициента проницаемости для сд серии образцов достигал 30% при среднестатистическом - 15

«.%10141822

Ль 10* м2 0.74,31331

Результаты экспериментов представлены на рис. 5.22 в де зависимостей ДЛ/Ъ (Р#), где AZ - изменение проницае! ти образцов в результате взрывного воздействия,瓦-

180

Рис. 5.21. Схема фильтрационных испытаний высокопорисгых образцов:I - емкость с газом; 2 - вентиль;3 - компенсатор; 4 ■ расходомер;5 - испЕ»пуемый образец; 6 - обойма;7 - манометрРис. 5.21. Схема фильтрационных испытаний высокопорисгых образцов:I - емкость с газом; 2 - вентиль;3 - компенсатор; 4 ■ расходомер;5 - испЕ»пуемый образец; 6 - обойма;7 - манометрРис. 5.22. Изменение проницаемост образцов в результате взрывного воздействия при начальной порис- TOOT 10(7), 14(2), 18(5) и 22% (4)Рис. 5.22. Изменение проницаемост образцов в результате взрывного воздействия при начальной порис- TOOT 10(7), 14(2), 18(5) и 22% (4)

Рис. 5.21. Схема фильтрационных испытаний высокопорисгых образцов:

I - емкость с газом; 2 - вентиль;

3 - компенсатор; 4 ■ расходомер;

5 - испЕ»пуемый образец; 6 - обойма;

7 - манометр

Рис. 5.21. Схема фильтрационных испытаний высокопорисгых образцов:

I - емкость с газом; 2 - вентиль;

3 - компенсатор; 4 ■ расходомер;

5 - испЕ»пуемый образец; 6 - обойма;

7 - манометр

Рис. 5.22. Изменение проницаемост образцов в результате взрывного воздействия при начальной порис- TOOT 10(7), 14(2), 18(5) и 22% (4)

Рис. 5.22. Изменение проницаемост образцов в результате взрывного воздействия при начальной порис- TOOT 10(7), 14(2), 18(5) и 22% (4)

чальная проницаемость,尸.-давление в отраженной ударной волне.

Приведенные на рис. 5.22 результаты наглядно демонстрируют немонотонный характер изменения проницаемости с ростом взрывной нагрузки^ Нерсотря на качественный характер прове- денных опытов, можно сделать заключение о возможности 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 нагрузки различной интенсивности заключается, по всей видимости, в различии механизмов деформирования скелета при малых и больших нагрузках. Действительно, если малые нагрузки приводят к деформации скелета без разрушеня последнего, то при амплитудах воздействия выше предельной величины деформация среды сопровождается разрушением скелета. В первом случае происходит сужение изначально имеющейся проницаемости среды. Во втором случае - образование новых, более проницаемых каналов, связанных с областями разрушения скелета.

Исследование влияния начальной пустотности реального массива горных пород на разрушающее действие взрыва проводилась в натурных условиях. Породный массив сложен вулканогенными образованиями (диабазовые порфириты, линарит-

порфиры) нижне-каменноугольного возраста. В пределах сматриваемого породного массива широко развиты треп( (тектонические и петрогенетические) различного масш^ Трещинами массив разбит на структурные блоки разных ргц ров и иерархических порвдков. Наиболее мелкие блоки N деляются разветвленной сетью петрогенетических трещин»? средний объем в невыветрелых породах составляет ом 0,2 м3, а в зоне коры выветривания - 0,04 м3. Объедини эти блоки образуют следующий структурно-иерархический | вень - блоки, границами которых служат тектонические J щнны. Средний размер этих блоков приближается к 100 тыс：

Эксперимент включал два этапа: первый - взрыв полусф| ческого накладного заряда ВВ массой 500 т (средняя пло^ 790 кг/м3) на поверхности ненарушенного породного ма® второй - взрыв такого же заряда на дне воронки, образо^ 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 J мер и конфигурацию участков, отличающихся по скорости | пространения сейсмических волн. При этом удалось у стансов изменение скоростей распространения сейсмических волн I каждом из участков в результате первого и второго вз函 Полученные таким образом данные позволяют оценить нару^ ность (пустотность различных участков горного массива д после взрывов. Пустотность породного массива т> определяй согласно зависимости ("формула среднего времени1*)

где со, Ci и с - соответственно скорость распространен 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 нару# ности среды (для второго взрыва в качестве начального биралось состояние среды после первого взрыва), необхол^ учесть фактор изменяющейся интенсивности взрывного 才 действия с расстоянием от взрыва г, которая в значител!| мере определяет производимые в среде разрушения. Изве门 что вносимые в среду нарушения при взрыве определяются \ формацией среды. Остаточные деформации в среде при взр| сосредоточенного заряда €Юг ， где vo и т - соответственно максимальная массовая скоМ и длительность волны сжатия.

ряс, . 5.23. Шменение относительной пустот- gocm среды в результате подземного взрыва

Таким образом, с известным приближением можно считать, что изменчивость безразмерной величины

皿 Уо(гЕг) 7)0 '

叫е Ап ■ “ - т, определяется только начальной нарушенностью (пустостотности) среды w.

Результаты анализа данных сейсмопросвечивания среды при первом и втором взрыве представлены на рис. 5.23 в виде зависимости Ат» (т|о), отсюда

Al) а I)%3

и следовательно,

Полученное соотношение указывает на существенное влияние первоначальной пустотности среды на величину механических изменений, вызванных взрывом.

В результате можно сделать следующий вывод: горные массивы (либо их участки) разной нарушенности по-разному реагируют на взрывное воздействие. Как это следует, в частности, из последнего соотношения^ механический эффект подземного взрыва существенно зависит от структурного строения реальной среды.

6・ ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ СРЕДЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРНЫХ НАРУШЕНИЙ НА ОСНОВЕ СЕЙСМОПРОФИЛИРОВАНИЯ

Одним из основных свойств геофизической среды являет, деформируемость. При решении большинства практических 田 связанных с переносом, накоплением и релаксацией ческой энергии в реальной среде, ее устойчивостью при / них воздействиях, определяющей характеристикой как сост^

среды, так и протекающих в ней процессов является вели характеризующая изменение относительного положения 询 участков среды, в том числе и в динамике. Действительна абсолютное смещение, ни величина действующих в среде 山

жении не могут в полной мере характеризовать те изменен

среде, которые происходят в влияют на ее устойчивость, них - всестороннее сжатие точно высоких действующих целостности. Последнее ни 】среде, которые происходят в влияют на ее устойчивость, них - всестороннее сжатие точно высоких действующих целостности. Последнее ни 】результате внешних воздейст* Известны случаи (простейш#| твердого тела), когда при * напряжениях тело не теряет I коей мере не противоречит ■

среде, которые происходят в влияют на ее устойчивость, них - всестороннее сжатие точно высоких действующих целостности. Последнее ни 】

среде, которые происходят в влияют на ее устойчивость, них - всестороннее сжатие точно высоких действующих целостности. Последнее ни 】

цепции механического разрушения твердой среды при достиг определенной величины нормального, либо сдвигового и 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 ней родностью: наличием тектонических нарушений разного ур| определяющих блочно-иерархическое строение среды. Оснся следствием блочного строения массивов горных пород яшй| локализащш деформаций вблизи границ структурных бл呕 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 окрест^ равновесных состояний (исследование неравновесных cocrd| ограничивалось рассмотрением случаев, допускающих ncnoji вание расширенных представлений равновесной термодннз» введение эффективных термодинамических параметров). Раз^ тайная акад. М・А・ Садовским концепция блочного стрй геофизической среды [54, 55, 58] потребовала пример качественно нового подхода к описанию поведения реала массивов горных пород при внешних механических возмущен

Классификация тектонических нарушении по ширине

Ширина зоны дробленин, разрыва или трещины, м

Уровни трёщин и разрывов по абсолютной ширине

Л. Нейштадт

(1957)

Е. Ромм

(1966)

Ж. Ферран

(1975)

В. Жилен ков

(1975}

С. Чернышев

(1983)

一102 -

--io1 -

—in0 一

Очень .

крупные

трещины

Макро*

трещины

Макротрещины

Крупные

трещины

Зоны _ дробления разрывов "

一10*1

——10-г

Щели

—

Крупные

Средние

широкие

Мелкие

Трещины

Мелкие трещины

средние

[0-4

Тонкие

трещины

узкие

一 W5 —

1Q-6

Микро-

трещины

Тонкие трещины

Капилляры -

——10"7 —

—10-8 —

Микротрещины

субкапилл

Основой для такого подхода явились представления о преимущественном деформировании геофизической среды по поверхностям и областям ослабления прочности [4, 59] согласно которым определяющими характеристиками процесса деформирования среды являются свойства структурных нарушений.

В известных классификациях структурных нарушений породного массива (табл. 6.1 и 6.2) в качестве классификационных признаков выступают параметры: пространственная протяженность нарушения и его ширина. Указанные параметры 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 распространения волн. Помимо этого представляется естественным, что одно и то же структурное нарушение может в разной степени оказывать влияние на процесс деформирования среды в зависимости от характера и масштаба внешнего воздействия.

В связи с этим возникает необходимость в разработке способов ранжирования структурных нарушений геофизической среды либо с привлечением конкретных механических свойств материала-заполнителя межблоковых промежутков, либо на основе кос-

Классификация тектонических нарушений по протяженности

Протяжен - ность структурного нарушения, * м

Уровни трещин и разрывов по абсолютной длине

по

Л. Мюллеру (1971J

по в. Рацу (1970)

ПО

В. Жилен кову (1975)

по

Н. Красиловой

11979)

no С.

Чернышеву (1983>

—[Об

—10s

--ю4

—10э

—in2

—

Нарушения

Крупные тектонические разрывы

Разломы 1 и II порядка

Мегатрещины, разрывные нарушения

"""«

Крупные и твктоничесЧя кив разрывы

Разрывы

Разломы HI порядка

—

Разрывы

—[口| ^—

Гигантские

Макро- трещины

крупные трещины

Макро трещины и мезотрещины

X X

3 в d А

длинные ：

«^― [00

крупные

Трещины

средние^

]0 7

мелкие

Микротрещины

коротки^

-JO" 一

—10 з —

10 4 -

Скрытые трещины

Микротрещины

Микро-

трещины

Микро - ' ; трещины

1 и

，^-10 6 -

Дефекты кристалличес^ кой решетки

Ультра- трещины

Рис. 6.1. Схема сейсмопрофилирования стенки выработки:

/ - стенка выработки; 2 - структурное нарушение; 3 - датчики; 4 гистрирующая аппаратура; 5 - место ударного возбуждения колебаний

mV

венных данных. Одним из способов установления относительных деформационных и прочностных характеристик структурных нарушений разного типа является сейсмопрофилирование стенки подземной выработки. Способ основан на изменении амплитудно- частотных характеристик сейсмических импульсов при их распространении в структурно-неоднородных средах.

В настоящей работе проводил<кь ссйсмопрофилированис прилегающих к тектоническим нарушениям (III-V порадков) участков стенок подземных выработок, пройденных в одном из горных массивов Восточного Казахстана (Дегелсн), расположенном в пределах Семипалатинского полигона. Схема регистрации сейсмических колебаний представлена на рис. 6.1. Возбуждение сейсмических волн осуществлялось ударным способом на разных расстояниях L от тектонического разлома. В качестве первичных преобразований использовались сейсмоприемники типа СВ и СГ, а также пьезоэлектрические акселерометры типа 4370 (Брюль и Къер). Датчики размещали с помощью резьбового соединения на специальных установочных площадках, замурованных в стенку выработки с шагом 0,2-1 м. Регистрация сейсмических волн проводилась с помощью сейсмостанции ИСН-01-24 (24 канала), либо сборки инструментальных 7-канальных магнитофонов HR-ЗОЕ. Обработка экспериментального материала осуществлялась с помощью анализатора электрических сигналов W-1200.

Анализ сейсмограмм (характерная запись представлена на рис. 6.2) показывает, что при прохождении через структурное нарушение основные характеристики волны (скорость распространения с, амплитуда Vo и частота %, соответствующая максимуму частотного спектра) изменяются. На рис. 6.3. представлены примеры годографов сейсмических волн, а также скорости их распространения с, полученные путем осреднения 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 нарушение1234

Порядок • • * • •

Рис. 6.3. Примеры годографов (а), зависимость скорости распространи сейсмических колебаний от расстояния (б)

нарушения...

..V

V

IV

IV

Мощность ...

иарушеиия, м..

* - 0,4-0,6

1,5-2

0,02-0,03

0,01

Заполнитель ..

..Глинка

Сильно-

Глинка

Кварцит

трения

нару

трения

шенные

основ

ные по

роды

с, м/с

700-1200

600-1000

-

Гц *.

..615

200

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 наруш@ "работает” как фильтр низких частот с некоторой грани^ частотой 厶， конкретное значение которой определяй характеристиками структурного нарушения.F

С целью построения расчетной модели процесса распро^ нения сейсмической волны в среде, содержащей структу| нарушение, и установление наиболее вероятного уравнс состояния материала, составляющего тело нарушения, рад рим следующую задачу. В безграничной упругой среде, j держащей структурное нарушение в виде плоского слоя в|| оси л, нормальной к плоскости нарушения, распространяв сейсмическая волна вида (импульс Берлаге (18])*

尸(х, 0 ■ ao(x)/e^sin(w/).(《

Изменение основных характеристик сейсмической волны “

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 не является идеально упругим материалом. Однако в сильно- нарушенных породах, которыми преимущественно представлены межблоковые промежутки, действие диссипативных сил проявляется в большой степени.

Поглощение энергии сейсмической волны приводит к затуханию ее амплитуды с расстоянием. Как следует из результатов экспериментальных и теоретических работ, более высокочастотные составляющие спектра волны поглощаются сильнее 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 предположении, что амплитуда плоской гармонической волны убывает при ее распространении в однородной поглощающей среде по закону

оо(х) к Ае-З,(6.2)

где 4 - амплитуда волны в начальной точке х - 0; а - амплитудный коэффициент поглощения.

При падении плоской волны на слой, характеризующийся отличными от окружающей среды физико-механическими свойствами, проходящая волна представляет собой интерференционные волны, которые образуются в результате суперпозиции волн, однократно и многократно отраженных от границ слоя. В дальнейшем для простоты будем рассматривать случай нормального падения волны на слой, когда отсутствуют обменные волны.

Амплитуды и временные сдвиги волн, участвующих в формировании проходящей интерференционной волны, определяются, во- первых, соотношением между акустическими жесткостями слоя Н и окружающей среды 匕，а во-вторых, отношением m/с】，где m - толщина слоя, с - скорость распространения возмущений внутри слоя. Здесь 匕 * PiCi； Уо н РоСо；

Pi и ро - соответственно плотность материала-заполнителя межблоковых промежутков и горной породы; с - скорость распространения возмущений в среде.

Фазовые скорости для колебаний различной частоты 厶 определяются отношением толщины слоя т к длине волны

% = С1//,

т.е. являются функцией частоты.

Колебания, регистрируемые при сейсмических исследование ях, в частности, при импульсном сейсмопрофилировании имеют

Рис. 6.4. Зависимость преимущественной частоты колебаний от расстоям (волна распространяется справа налево): / - тектоническое нарушение

конечную длительность т = мТ., где Т^ - преобладающий у риод; п - их число (п а 3+5). В том случае, когда времен^ сдвиг между волнами △/ = 2m/ci > т, волны, отраженные) разных границ слоя, не интерферируют и каждую волну до# тимо рассматривать отдельно. Таким образом, при т > т/入i ； слои допустимо считать "толстыми". В том случае, ка т/入 1 < 2, возможна интерференция различных волн, в связ| чем коэффициенты прохождения и отражения волн существе! зависят от частоты.扌

Физическая природа поглощения энергии сейсмических вол( реальных средах в настоящее время изучена недостаточно.胃 не менее разработаны некоторые теории, позволяющие с д(х| точной для практических целей точностью оценивать количе венно особенности распространения волн. Наиболее широк^ сейсмологии используется теория упругого последейст, (Г.М. Гуревич, Б.Н. Ивакин), в основу которой полож^ представления о том, что величина действующих в напряжений определяется не только достигнутой к данн| моменту времени деформацией, но также деформацией; кото| материал среды испытывал в предшествующие моменты врем(

Последствие конкретного состояния среды определяется функцией последствия з«о), где 友-"давность” испытанной ранее деформации. Подобный анализ процесса поглощения сейсмических волн в случае упругого последействия, проведенного в работах Б.В. Дерягина (1931 г.), Б.Н. Ивакина (1958 г.), 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 неидеальн(юти реальных сред при распространении реальных сред является использова* вне в расчетах моделей линейно-неупругих сред. В указанных моделях тензоры де4юрмаций и напряжений связаны некоторыми линейными соотношениями, отличными от соотношений классической упругости. Подобные модели пригодны для описания распространения волн малых де(}х)рмаций вдали от источника колебаний, поскольку вблизи источника возмущений деформации и их изменение во времени столь значительны, что для описания волновых движений необходимо привлекать методы 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

尸 + Тз ~|^~ н -Л(О + 丁4(6.3)

Ч +(crt + ^ -?r-)>(6.4)

где Р - - -у <r„; А « А + -^- pt - модуль всестороннего сжатия; 0 « £&; Лиц* псхггоянные Ламе; Тз - время релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной деформации; Т4 - время релаксации деформации объема при постоянном давлении 尸；Ti - время релаксации напряжения при постоянной деформации;乃-время релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении.

Соответствующий телу Бюргерса коэффициент затухания имеет ВИД

t

_ . _ —_ _ _ = 一 _ 一 - _ . _ …-_ _■ ]/2

，(1 + ЗВТ?) (1 + 32T2/紋)-(1 + 32T2~Г

2(1 + 32T2次).

(6.5)

Рис. &5. Амплитудно-частотная характерисгакз тектонического нарушения фильтра (диапазон изменения Т： 5'10"6 - 5ТО-')

где

%=/丄措子詳^ ? Н "^Г х =力Vn.

Конкретный вид функции 万 = exp[-a(w)mj, определяющй поглощение сейсмической волны согласно (6.5), приведен J рис. 6.5. Видно, что в случае тела Бюргерса слой представ# для проходящей сейсмической волны в виде фильтра низк|ь частот, причем граничная частота фильтра определяется nag метрами стандартного линейного тела.

Напомним, что для упругой среды, вмещающей нарушена уравнение состояния записываетсяв классическом виде；：

=入 86, +■ 2mj. 、(6・&

« ik ik

Уравнение движения среды

92 и . Э(г.,

Р 7；「 Н石「

в случае малых деформаций

принимает в плоском случае вид

.dt2,0炉，

где в зависимости от рассматриваемого типа волны (продольная, поперечная) с принимает соответственно значения

со 工Q厅/р・

Рассмотрим для определенности распространение спектральной компоненты

получаем:

а уравнение состояния среды и тела тектонического нарушения представимо в виде:

среда:

тело нарушения:.

%(1 + 汕力=2ме°у(1 + 汕 Е),

、 Для тела тектонического нарушения с использованием комплексного модуля

Уравнение состояния записывается в виде, формально совпа- ；Дающим с (6.6):

『2М*

Таким образом с использованием комплексного модуля ； записываем уравнение движения в виде, справедливом ка^д среды, так и тела структурного нарушения

решение которого представимо в виде (волна, бегущая впра| 4 = СЗР Н^ЛЯ'

или с учетом (4.7):

〃先(％ й ■ qexp 11 - iw к - х〃先(％ й ■ qexp 11 - iw к - х44

〃先(％ й ■ qexp 11 - iw к - х

〃先(％ й ■ qexp 11 - iw к - х

4

4

Условия на границах структурного нарушения примем 4阈

на границе I (х » 0):匸弋；■吟

на границе II (х 工 m): т11 * т1П;瓦"工〃叫 " КУ У а У

В этом случае коэффициента отражения волны от граню II представим в виде

Qo% •，1 匕 0% + Р1У1 '

冷皿冷皿гдегдеPJ1 4 P2匕‘ комплексные скорости %，匕 н 匕 определеныPJ1 4 P2匕‘ комплексные скорости %，匕 н 匕 определенынием (6.7).нием (6.7).Выписывая выражение для величины смещения в матер! заполнителе нарушения (среда II)Выписывая выражение для величины смещения в матер! заполнителе нарушения (среда II)

冷皿

冷皿

где

где

PJ1 4 P2匕‘ комплексные скорости %，匕 н 匕 определены

PJ1 4 P2匕‘ комплексные скорости %，匕 н 匕 определены

нием (6.7).

нием (6.7).

Выписывая выражение для величины смещения в матер! заполнителе нарушения (среда II)

Выписывая выражение для величины смещения в матер! заполнителе нарушения (среда II)

п 心(1 - *i,ii)(1 - Хи ,iu)exp[- /ш^р/М 三二, (倉

получаем, что при падении на границу I волны вида

4 * К(® 产&з偽

структурное нарушение играет роль фильтра с компле» спектром (6.10).項

В качестве примера на рис. 6.6 приведены резулж расчета амплитудно-частотной характеристики сейсмиче сигнала типа (6.1), прошедшего структурное нарушение (х теристика сигнала и структурного нарушения выбирались 1 ответствии с данными экспериментов). Расчет проводило! основе модели (6.3)-<6Л0),

少勿Z4 2$ 42 46Lgf他丿少勿Z4 2$ 42 46Lgf他丿Рис. 6,7. Граничная частота пропускания тектонического нарушения для сейсмических калебайий % = 2000 Гц (7, 2) н % = 1000 Гц (3, 4) в зави* смости от эффективной ширины нарушения：Д 3 - расчет; 2, 4 - эксперимент 'Рис. 6,7. Граничная частота пропускания тектонического нарушения для сейсмических калебайий % = 2000 Гц (7, 2) н % = 1000 Гц (3, 4) в зави* смости от эффективной ширины нарушения：Д 3 - расчет; 2, 4 - эксперимент '入=т£,м4入=т£,м4Рис. 6.8. Зависимость параметра Л от преимущественной частоты сейсмического сигнала при эффективной мощности нарушения &5 м (7) и 1,75 м ⑵Рис. 6.8. Зависимость параметра Л от преимущественной частоты сейсмического сигнала при эффективной мощности нарушения &5 м (7) и 1,75 м ⑵200-200-"5/%5 九 к「и"5/%5 九 к「ирис. ，6. Амплитудно-частотная харак- 1еристика сейсмического сигнала до (7) и после ⑵ прохождения тектонического разлома (0 = 05 m = 0,5 № % = =2000 Гц, со 黑 3000 м/с, с： = 1000 м/с, Ро = 2800 кг/м3, pi * 2000 кг/м3, Л = IO'5, 丁2 =心

少勿Z4 2$ 42 46Lgf他丿

少勿Z4 2$ 42 46Lgf他丿

Рис. 6,7. Граничная частота пропускания тектонического нарушения для сейсмических калебайий % = 2000 Гц (7, 2) н % = 1000 Гц (3, 4) в зави* смости от эффективной ширины нарушения：

Д 3 - расчет; 2, 4 - эксперимент '

Рис. 6,7. Граничная частота пропускания тектонического нарушения для сейсмических калебайий % = 2000 Гц (7, 2) н % = 1000 Гц (3, 4) в зави* смости от эффективной ширины нарушения：

Д 3 - расчет; 2, 4 - эксперимент '

入=т£,м4

入=т£,м4

Рис. 6.8. Зависимость параметра Л от преимущественной частоты сейсмического сигнала при эффективной мощности нарушения &5 м (7) и 1,75 м ⑵

Рис. 6.8. Зависимость параметра Л от преимущественной частоты сейсмического сигнала при эффективной мощности нарушения &5 м (7) и 1,75 м ⑵

200-

200-

"5/%5 九 к「и

"5/%5 九 к「и

Из рис. 66 хорошо видно, что наличие структурного j

рушения, тело которого описывается уравнением состояв (6.3)-(6Л), на пути распространения сейсмической волны @ водит к падению ее амплитуды, а также существенному из爲 нию частотного спектра, что находится в хорошем согласий экспериментом (см. рнс. 6.4). В частности на рис. 6.7 пр^ дена преимущественная частота 启 прошедшего через тектоц血

ское нарушение сигнала с начальной частотой около 2 кГл зависимости от ширины нарушения 加内-граничная чаЕ

пропускания тектонического нарушения). Там же для сра^哨 приведены экспериментальные данные, полученные при o6ciq вании реальных тектонических нарушений. Из рис. 6.8 сле^ что в диапазоне 0,2 < m < 2 м выполняется условие

〃 ■ const/m.、

Более подробный анализ экспериментального материала казывает, что соотношение (6.12) справедливо для шире» диапазона частот 而 сигнала, падающего на структ^ нарушение. В качестве иллюстрации на рис. 6.8 прнв& величина 入=加厶 полученная в эксперименте, в зависим

от %. Видно, что для широкого диапазона частоты падак на структурное нарушение сигнала граничная частота пр кания а с приемлемой для практических оценок точнс

представив в виде

Д = (350 ± 50)/т, Гц.(<

Необходимо отметить, что приведенный выше расчет }] мально выполнен для поперечной волны (вместо 4-х, кавф следует из 6.7). В задаче учтены два определяющих парай| 7\ и Г2)・ Однако полученные расчетные соотношения спр* ливы одновременно и для описания продольных волн. Пе^ тельно, в этом случае модуль (6.7), определяемый парамер Т1 - Т4:>

легко приводится к виду

М С2 1 + гй)Фа，

где % и % определяющие параметры задачи, являкяй функциями 7\ -冗.?

.Таким образом, описание распространения продольной 用 основывается (как и в случае поперенной волны) на дву^ раметрах Wi и Wz・ Ири этом функциональная зависимость * ля М от Ф1 и Фг аналогична зависимости (6.7).

g. 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 геологические образования. Тектонические нарушения имеют разный масштаб: от едва заметных на глаз трещин до тектонических разломов, которые хорошо прослеживаются не только в 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 105 м. Наличие указанных структурных нарушений определяет существенно неоднородный характер деформирования породного массива при подземном

Рис* 6.9. №менение расстояний (мм) между геодезическими пунктами при •зрыве иКаниикини: J - тектонические разломы

Рис. 6.10» Раскрытие (а) и протяженность (б) трещин, образовавшихся^ поверхности горного массива при подземном взрыве эквивалентной мощной около 1 кр

взрыве: наблюдается ярко выраженная локализация наиба* крупных необратимых проявлений вблизи нарушений сплошное среды* Более того без учета крупных тектонических нарушен массива горных пород невозможно объяснить значительные 吟 ратимые деформации, наблюдаемые при подземных ядерных вз| вах на больших эпицентральных расстояниях.

Так, например, в результате подробных исследований,码 веденных при подземном ядерном взрыве пКанникини (эквИ; лентная мощность заряда 5 Мт), были установлены простр； ственные деформационные характеристики земной коры, котор продемонстрировали существенно неравномерный хара< подвижек земной поверхности в окрестности крупных тек? нических нарушений [79]. При этом на отдельных тектони； ских разломах наблюдались значительные остаточные смеще^| достигающие значения 1-3・ м. В качестве иллюстрации рис. 6.9 приведены результаты геодезических измерений j таточных смещений реперов (длина отрезков - база измерени

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 проведения взрыва：

ON - подземная выработка; О - центр взрыва; F В' BCKF - тектоническое нарушение

Пс. 6.12. Расположение блока (а) и остаточная деформация (б), нормальная 工 поверхности грани блока при взрыве заряда эквивалентной мощностью I кт

существенно увеличивает ^^дaльнoдeйcтвиe^^ подземного， ного взрыва. При одном из взрывов в соседней внрабоп^ относительном расстоянии 743 м/кт1/3 от взрыва наблк^ значительная деформация рельсовых путей на тектониче^ разломе. Относительное смещение берегов разлома составил^ оценкам (хорда прогиба путей - 1,5-2 м, стрела npoi^ 0,8-1,2 м) величину около 0,5 м.у

Простые оценки позволяют установить основные особен^ деформирования среды со структурой при крупномасшт^ подземном взрыве. Рассмотрим произвольно ориентирован碍 пространстве тектоническое нарушение (разлом, межблокс промежуток) BCKFF*В' (рис. 6.11), характеризующееся 河 падения а, азимутом простирания <ра и пересекающее вую штольню ON с азимутом 屮о на расстоянии к от \ваш (точка О).1

Дальнейшее рассмотрение будем проводить в плоскости О нормальной к плоскости разлома (см. рис. 6.11). Онев审 что

ОВ н I 匸 20cos (例 — тг/2);

Од » L « Locos (уо - Уп + 冗/2), где £о - удаленность конечного бокса от устья штольни.

Для простоты будем полагать, что основной характ| тикой, определяющей поведение среды в непосредстве| близости от нарушения при динамическом воздействии, яв| ся нормальная к плоскости: нарушения деформации £ , а » нические свойства горной породы и породы-заполнителя & шения идентичны. Величина £% в произвольной точке наруц^ N представима в виде•

%(「/) - er(r10sin2T1 + % (nZ)cos2Tb(傢

где q - расстояние от взрыва до точки N; 6rHe соответственно радиальная и азимутальная деформация ср匂 волне сжатия;才i - угол между волновым вектором и плоск« нарушения в точке N・》

Скорость смещения среды на расстоянии г от взрыва прй в виде

К °\0 при Г < 0, ? > т,〈

где t - время с момента прихода волны на расстояние г;

vb(r) « Aq г - максимальная массовая скорость от в; ногр источника энергией д, устанавливаемая эмпирически; 勿〃)-некоторая функция времени, удовлетворяющая усл| @(0)= @(т) н 0, получаем*

£* ° = - -^^ms - w(o)] *+ 第⑺八⑺出，(6Л7)

Г о

8 У О = 〃(「#",(6.18)

где w(r, 0 - смещение частиц среды в волне сжатия, причем

(6」9)(6」9)〃(г, О н vo(r)Jy(Ot/t о

(6」9)

(6」9)

Обозначая кратчайшее расстояние от взрыва до плоскости нарушения ОА (см. рис. 6.11) через а и интересуясь остаточными параметрами движения в волне сжатия (t -* т), получаем с привлечением (6.15)

е«产…=屮-{1 +-

т

-1]}JV(力 df,(6・20)

0•

me

门 н M + [actga + 告譜舞厂]2产.(6.21)

Здесь учтено: sin#i = а/n, производная dlnvo/dr берется в точке ^; OD ■乙

Полученная зависимость (6.20) позволяет устанавливать величину нормальных деформаций на площадках, совпадающих с гранями произвольно ориентированных в пространстве структурных блоков. В качестве примера на рис. 6.12 показано изменение величины £叨 вдоль граней структурного элемента кубической формы со стороной 25 м, расположенного на расстоянии 75 м от взрыва заряда (/ = 1 кг (расчет при ф(0 = sinnfr). Видно, что деформирование в сферической волне сжатия существенно искажает первоначальную форму структурного элемента. При этом следует отметить, что характер формоизменения соответствует результату стесненного поворота структурного элемента, расчетную схему и экспериментальное 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 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

Рис. 6ЛЗ. Остаточная поперечная деформация среды в плоскости текгош! ческого разлома:>

а - при /< Л, р - 25, ^ - 1 кг б - при /> Я; 7-в - соответственно 鹏 l/L - 0,04; 0,08; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4； 0,6 и 0,8?

деформирования среды в области непосредственно к нему при^ гающ^й (фактически в плоскости разлома). При проведении g нок воспользуемся схемой проведения взрыва, представлений на рис 6.11 (при этом положим: OD - L - расстояние от мес^ взрыва до свободной поверхности по горизонтали в плоское^ перпендикулярной плоскости нарушения; DM - земная пове{^ ность; В - угол склона).

Для конкретного вида функции

3«)工 sin ^~

остаточная деформация £汕 нормальная к поверхности наруп^ ния ВС в точке, расположенной на расстоянии г от меа взрыва, представим в виде

£”о(г)=卫产[1 -(1 + “)^-]・(6・2関

При этом п < г < А, где величина 尸2 определена за# симостью (6.21), а

ОВ 三 / при I > К*, 厶 *" X* при I < А*,

причем К* - радиус зоны взрывного разрушения среды.

Поведение тектонического нарушения в волне сжатия в цед! допустимо характеризовать некоторой средней по разлому 1 личиной деформации. С практической точки зрения натгоол 202

рйс* 6Л4. Зависймосгь угла падения тек- юнического разлома с максимальными необ- «дгимыми проявлениями от отношения I/Ll ;.3-25,й-0;2-в-35,/1-0;3-

- 25, Л - 5 м; ^ - р - 25, Л - 10 м, j - экспериментальные данные

интересным участком нарушения является участок ВС, примыкающий к свободной поверхности. Средняя по участку ВС остаточная деформация £離*, определяется как

Наиболее интересные для практики случаи положительных деформаций (раскрытие тектонических разломов под действием взрыва), представлены на рис. 6.13. Из рисунка видно, что зависимость £ (а) для каждого из вобранных значений

03 = 2 ■ a/sina

существенно немонотонна: максимальное значение £也 достигается при вполне определенных значениях угла падения тектонического разлома

а = а* (厶 В)・ (6.23)

В качестве иллюстрации на рис. 6.7 сплошными линиями показана зависимость (6.23) для конкретных условий взрыва, полученная по результатам расчета £ 现.Для сравнения на том же рис. 6.8 приведена аналогичная зависимость, полученная с учетом влияния свободной поверхности на величину £%q. Эффекты, связанные с отражением волны сжатия от свободной поверхности, учитывались путем удвоения нормальной к поверхности MD (см. рис. 6Л2) составляющей массовой скорости в слое Средн толщиной Л.

Полученные результаты позволяют группировать тектонические нарушения по величине деформации, нормальной к

Рис. 6.15. Деформация растяжения на гранях структурных блоков при вз頂 g ■ 1 кт (размер блока 10x10 м)：

7 - центр взрыва; 2 - границы блоков; 3 - эпюры деформаций

плоское™ их простирания. Действительно, среди разноорАв| рованных и разноудаленных от взрыва тектонических разлом! помощью зависимостей, представленных на рис. 6ЛЗ и @ можно выделить такие, среднее раскрытие которых в резулк действия взрыва максимально. При этом одна и та же велиЙ поперечной деформации £ 刁* достигается на близкостоящих| источника взрыва разломах при меньших углах падения 叫 более удаленных - при больших а. В связи с этим можно it полагать, что при прочих равных условиях, характеризую^ разноудаленные от взрыва тектонические разломы,. большие ^ ханические проявления при взрывном воздействии ожидаютс! более пологих разломах, расположенных ближе к источи взрыва. При этом из разломов^ секущих выработку примерно одинаковом расстоянии от взрыва, более опасными явля* разломы с большим углом падения. Более простые оценки м& проводить с использованием зависимости d^(D.

С целью проверки результатов оценок проводилось мзу嚥 вызванной взрывом нарушенности тектонических разломов ну непосредственного обследования поверхности массива п>0 пород с выделением участков (конкретных разломов) с мш мальными необратимыми проявлениями (по протяженное^ раскрытию образовавшихся трещин, величина сброса), а 匈

контролем за выходом продуктов взрыва. Другой способ основан на эффекте преимущественной фильтрации газообразных 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 горного массива следует ожидать наиболее существенных (с точки зрения механического действия взрыва) необратимых проявлений. Последнее представляется весьма важным при оценках устойчивости конкретных участков массива горных пород и размещенных в них сооружений, а также при оценках времени выхода продуктов взрыва в конкретных экспериментах.

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 элементов массива, выполненного согласно расчетной схеме, описанной в разд. 6・2・ Из рис* 6.12 и 6.15 видно, что сложное деформирование каждого из структурных элементов может приводить к несогласованному движению соседних блоков. На практике это может проявиться в нарушении пространственной непрерывности смещений среды и ее деформаций.

В рамках настоящих исследований проводились инструментальные наблюдения за движением блочного массива горных пород при взрывах разного масштаба. Измерения проводились в протяженных подземных выработках, характеризующихся ярко выраженными ослаблениями в виде крупных трепцш и тектонических разломов, а также на земной поверхности в зоне проявления регионального Колба-Чингизского тектонического разлома.

Наиболее детальные наклономерные измерения проводились в опыте, описанном в разд. 56 Экспериментальные данные, 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 хтргрешность измерений (ошибка не превышала величины 4,8• 10"5 рад).

Обращаясь к экспериментальным данным, следует отметить, что характер изменения наклона стенки штольни по мере удаления от эпицентра взрыва (Z = 0) немонотонен, наблюдается чередование областей, характеризующихся противоположным по направлению наклонами стенки выработки. Особенно четко это

Т а б л и ц а 6.3

Физико-механические свойства пород горного массива Дегелен

Порода

Плотность г/см3

Пористость, %

Влажность

%

Прочность на Сжатие, МПа

Скорость звука, км/с

Модуль Юнга, МПа -105

Коэффициент Пуассона

Сухая порода

Влажная порода

Ср

Гранит

Кварцевый порфи

2,56

2,66

3,42

2,11

0,3 0,22

119

148

129

110

4,9

5,2

рит

Андезитовый пор

2,89

0,09

210

130

5,7

фирит Диабазовый пор-

2,88

0,74

0,26

105

• 98

5,0

фирит

8 8

Q'7

16

5 5

6 9

22 "а

9

2

9 2 а

Рис. 6.16. Остаточный наклон стенки штольни в плоскосш, перпендикулярной к рельсовым путям

/⑺,угл. минуты/⑺,угл. минуты弘一弘一рис. 6.17. Остаточный наклон стенки пгголыш в плоскости, параллельной рельсовым путям

/⑺,угл. минуты

/⑺,угл. минуты

弘一

弘一

О о

吆7 -^°°

0о

-加-。。

-八©。

прослеживается по данным о наклонах в плоскости, перпендикулярной к оси штольни. Отмеченную особенность следует интерпретировать как независимое движение структурных элементов, слагающих горный массив, В связи с тем, что пункты наклономерных наблюдений располагались на значительном удалении друг от друга (5-50 м), результаты измерений в совокупности могут характеризовать движение структурных элементов массива, а не отдельных элементарных блоков породы, т. е. отражать характер деформирдаания блоков, обладающих внутренней структурой.

Предположим, что соседние пункты наблюдений, в которых зарегистрированы остаточные повороты одного знака^ принадлежат одному и тому же структурному элементу породного мае* сива. Тотда по признаку одинакового знака наклона можно в первом приближении оценить размер независимо деформирующегося структурного элемента (с той точностью, которую обеспечивает пространственная дискретность измерений). Результаты таких оценок приведены па рис. 6Л7 в виде сплошной ломаной линии.

Характерно, что аналогичные оценки, выполненные по результатам наклономерных измерений в плоскости, параллельной оси штольни (рис. 6.17), в большинстве своем не противоречат результатам оценок, представленных на рис. 6.16. Правда, здесь следует отметить, что такое соответствие не является обязательным. Действительно, представляется 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. 6.18 (структурный элемент, 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).

Рис. 6.18. Схема поворотов соспА ного структурного элемента (пу^ тир - начальное положение)

Измерения на земной поверхности проводились в зоне Колб£ Чингизского глубинного разлома с целью установления реакхш приповерхностной структуры земной коры на сейсмовзрнв嗝 воздействие, включая определение относительного смещений границ разлома.Г

Колба-Чингизский разлом разделяет две крупнейшие скла^, чатые системы: Чингиз-Тарбагайский мегаантиклинорий, сформц рованный в каледонскую эпоху тектогенеза и сложённый грубо обломочными породами среднего кембрия, и Зайсайский мегасш клинсрий герунского возраста, представленный терригенным породами нижнего карбона. Для обеих систем характерна интек сивная наложенная складчатость разных периодов и широко развитие нарушений разрывного характера, предопределяюхци) сложное блоковое строение рассматриваемого массива. Ширищ зоны разлома в районе инструментальных наблюдений составляв около 300 м.

Наблюдения проводились в условиях горного массива Вала( пан (таМ 6.4) на площадке размером 1450x550 м (основн(4 поле 650x550 м), оборудованной сетью геодезических реперо (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 (реперы 4, 7, 8 и 9 размещены непосредственно на выхода! скального основания, мощность рыхлого чехла в остальнш геодезических пунктах составляет 1-10 м).

Начальные измерения проводились по всей сети реперов за двое суток со сейсмовзрывного воздействия. Повторные из? мерения проводились на следующие сутки, а контрольные Т спустя 2 мес после сейсмовзрывного воздействия амплитудо# 0,4"0,65 м/с в пределах основной измерительной площадке (удаленные от разлома реперы № 10-16 использовались в ка；

Таблица 6.4

Физико-механические свойства пород горного массива Балапан

Порода

Плотность г/см3

Порис- t тость, % '

Влажность %

Прочность на сжатие, МПа

Скорость звука,j км/с

Модуль Юнга, МПа - 105

Коэффициент Пуассона

Сухая порода

Влажная порода

СР

0,-71

0,25

0,71

0,25

0,78

0,26

&65_

一 9,39—

0,65

0,29

0,7

0,29

0,56

0,26

0,68

0,29

0,64~

0,22

0,68

0,23

0,53

0,18

0,57

0,24

538 2 2 72 5 7

233 Q 28 1 2 8 9

3333332333 22

4 9 83 9 6 6565599545168 5555544555544

3 8 4 94481068 - 6

16 8 4 5 о 3 6 9 Q 8 6

6 18 6・е 6 4 5 6 6 4"" 97988969599

15 4 7 5 9 8 7 5 12122221121 3 ■ oooooooooonv о

9427829 71535

112 о о 2 0 3 11 12 3

64224 4536366

777 7777776667

2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2

туф Туфопесчаник Порфирит Сланец Песчаник Порфирит Роговики Туф Сланец Гранит Гранитопорфир Гранодиорит Порфирит

*

честве базовых при оценке достоверности методики). Р匈 таты контрольных измерений совпали с измерениями, въшо^ ными непосредственно после сейсмовзрывного воздействий*； указывает на существенно необратимый характер подвижки ( ной структуры в результате единичного возмущения. В ка碰 иллюстрации ниже приведены данные большинства нзме而 (средние по нескольким замерам) для одного из опытов. 气

Номера реперовтрассыОстаточное сме,1-41-61-71-81-92-42-52-6щение, мм....-52-35-12-42-74-454950Номера реперов трассы Остаточное сме,2-82-93-43-53-63-73-83-9щение, мм.,..-102418271111-1512Номера реперовтрассыОстаточное сме,1-41-61-71-81-92-42-52-6щение, мм....-52-35-12-42-74-454950Номера реперов трассы Остаточное сме,2-82-93-43-53-63-73-83-9щение, мм.,..-102418271111-1512

Номера реперов

трассы

Остаточное сме

,1-4

1-6

1-7

1-8

1-9

2-4

2-5

2-6

щение, мм....

-52

-35

-12

-42

-74

-45

49

50

Номера реперов трассы Остаточное сме

,2-8

2-9

3-4

3-5

3-6

3-7

3-8

3-9

щение, мм.,..

-10

24

18

27

11

11

-15

12

Номера реперов

трассы

Остаточное сме

,1-4

1-6

1-7

1-8

1-9

2-4

2-5

2-6

щение, мм....

-52

-35

-12

-42

-74

-45

49

50

Номера реперов трассы Остаточное сме

,2-8

2-9

3-4

3-5

3-6

3-7

3-8

3-9

щение, мм.,..

-10

24

18

27

11

11

-15

12

Предварительный анализ данных свидетельствует о слоя# характере движения структурных блоков земной коры. Ост# ные смещения по близким трассам (например, 3-7 и 3-8)吋 отличаться не только величиной, но и знаком. Единстве! объяснение подобных фактов основывается на предположен! во-первых, о независимом деформировании блоков, во-вто| возникновении смещений разного знака на промежутках блоками.

Следует ртметить, что относительное смещение реперов ле повторных сейсмовзрывных воздействий амплитудой, блей

Рис. 6.19. Схема расположения геодезиче реперов 1 - 16 (а - тектонический разлом

к первоначальному, имеет сходный порядок величин. Последнее согласуется с выводами работы [31] о цикличности поведения 4областей нарушенности среды при повторных динамических воз* действиях.

Анализ остаточных смещений в целом по площадке показывает, что вдоль простирания разлома произошел правосторонний сдвиг амплитудой около 15-20 мм с. разворотом северной плиты относительно южной на угол *3・10“ рад.

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ВЗРЫВНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЛОЧНОЙ ТВЕРДОЙ СРЕДЫ

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 элементов. Под структурными элементами подразумеваются в Дайном случае независимые области, ограниченные структурными нарушениями как естественного, так и техногенного происхождения. ”

В дальнейшем породный массив будем рассматривать в виде совокупности структурных элементов разного масштаба, промежутки между которыми представляют собой существенно протяженные области, заполненные слабосвязанными по сравнению с горной породой материалом.

Не ограничивая общности, будем полагать, что структурные элементы разного масштаба ведут себя в процессе деформирования среды в целом одинаково, и на каждом этапе де^юрмирова- ния преимущественный вклад в макродвижение среды вносят структурные элементы одного масштаба. Указанный масштаб определяется, во-первых, иерархией структурных уровней породного массива, а во-вторых, характером и масштабом 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 поверхностей ослабления в виде нескольких систем ориентированных в пространстве трещин и разломов, каждая из которых определяет соответствующий ей размер структурного элемента 4 (i = 1, 2, 3...). В области малых механических возмущений, амплитуда которых не превышает прочностные характеристики материала-заполнителя межблоковых промежутков, породный массив представим в виде однородного континуума, поведение которого полностью описывается соотношениями классической упругости. Макродеформации среды в целом определяются деформациями микроструктурных элементов.

При повышении интенсивности механического воздействия^ следовательно, неоднородности поля напряжений на ми^ уровне, деформируемый структурно-неоднородный породный 川 сив следует рассматривать в качестве существенно неравной ной системы, допускающей (в соответствии с общими законо^ костями поведения неравновесных систем [40]) образов^ диссипативных структур-макрсх:копических структурных элей тов деформации.

Представляется наиболее вероятным, что линейный ра国 диссипативной структуры 厶 соответствует одному из размер естественного породного блока в массиве 工尸 причем конк^ ная величина структуры 厶 определяется пространствен^ масштабом и интенсивностью налагаемого на среду возмущен т. е. может меняться во времени у пространстве. Образов^ диссипативных структур можно представить следующим об* При достижении на одной или нескольких поверхностях ос| ления предельного напряженного состояния материй заполнителя в некоторой области пространства возш^ лавинообразное разделение первоначально сплошной средщ структурные элементы.&

Движение сформировавшихся макроструктур может осуш ляться независимо, что допускает возможность возникно] 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 рогов з, причем

з ив -у V ц.

Процесс деформирования среды на этом этапе будем вать в рамках моментной теории со стесненным вращение новные положения которой заключаются в следующем: фикс ся зависимость (6.24), в силу которой тензор обобщеннь формаций совпадает с тензором классических деформаций ляется таким образом симметричным; наличие моментных t 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 представимо в виде [47] (рис. 6.20)

V « - -у- & V 竝(

Последнее соотношение отражает тот факт, что перемег

рис・ 6.20. Схема стесненного деформирования блока (АВСО - начальное, Л* В* С7 Ог ・

конечное положение грани блока)

материальных точек при деформировании среды осуществляется в отличие от классической упругости по криволинейным траекториям, движение вдоль которых представляется в виде суммы простых движений: линейного перемещения и поворота.

Оценим деформацию структуризованной среды на основе 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

y(r, f) ■ vo(rtsin (-—-) при 0<^<тиу»0 при Е < 0, f > т,(6.26)

i^e и)(г) ит- соответственно максимальная массовая скорость в волне сжатия и длительность волны на расстоянии г от источника; t - время с момента прихода возмущения в точку наблюдения.

Предполагая, что процесс деформирования выделяет преимущественное направление вектора поворота, а сам поворот структурного элемента необратим, с учетом (6.25〉и (6.26) получаем в пределах каждого структурного элемента

w «- ±(1 - cos ~Щ.(6.27)

Направление поворота (знак перед вторым слагаемым) определяется направлением момента сил, действующих на конкретный структурный элемент в результате эстафетной передачи возмущающего воздействия от блока к блоку, а также первоначальной пространственной ориентацией структурного элемента деформа- 加н. Таким образом с учетом того, что повороты вокруг обеих осей, нормальных в соответствии (6.25) направлению V; равноправны, допускается, вообще говоря, разноориентированный поворот структурных элементов.

Указанное движение структурных элементов & предположении

8з.

丄 н const(6.28)

ox к

вдоль грани каждого из элементов) приводит к изменению э| фективной ширины межблокового промежутка на величину

А£ х 士江(1 - cos ),(6.29"

где х&, Л = 1, 2, 3 - декартовы координаты.:

Взаимное перемещение структурных элементов Л/, удаленщ друг от друга на расстояние /, вдоль фиксированной лий 屮(х&) определяется суперпозицией изменений промежута( между структурными элементами. С известным приближения можно считать, что при Vo * const остаточное перемещен AZ* = А/(Е т т), как это следует из (6.29)，представима' виде

М н ±л0| Де|,

где «о - целочисленный коэффициент.

Совместим для определенности ось координат Xi с лин« W(xJ и обозначим через х. границы структурных элемент причем

л,.. « х. + L., /-1,2, 3,.

' В этом случае с учетом изложенного зависимость ® представляет собой кусочно-гладкую функцию, определен|| на интервалах (х.,工山).В частности величина остаток поворотов структурных элементов (г —* т) вдоль линии * =хз = 0 представима в виде

|А3gl =|А3gl =4vo (х4vo (х

|А3gl =

|А3gl =

4vo (х

4vo (х

для каждого интервала (х『х^р и гимеет, как это следует^ (6.30) пилообразный вид. При этом огибающую максималь| поворотов можно Интерпол и ровать следующим образом:

|Аз“н)堡 ~^4产；(6；

Полученная зависимость (6*30) позволяет устанавл«д величину поворота грани конкретного блока, если известны размеры, и наоборот: по дискретным измерениям угла пово| граней блоков * определять линейные размеры последних, i

Значительный интерес представляет рассмотрение вопрос!

размере диссипативной структуры £ф, формирующейся в 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 4a = 1, 2, 3,…

Представляется естественным предполагать, что ширина промежутка между структурными элементами i-ro уровня 三 определяется характерным размером прилегающего к нему элемента. Для простоты примем: е. = kiLAi 工 1. 2, 3,…J.

Выбирая макроперемещения V в качестве меры, характеризующей величину отклика среды на динамическое воздействие, записываем с учетом (6.28)

f -» т : I 科 т I v| 0 厂^f -» т : I 科 т I v| 0 厂^Аз(х.)4 + ——у74+1Аз(х.)4 + ——у74+1(6.32)(6.32)

f -» т : I 科 т I v| 0 厂^

f -» т : I 科 т I v| 0 厂^

Аз(х.)4 + ——у74+1

Аз(х.)4 + ——у74+1

(6.32)

(6.32)

應 As* (亨-максимально возможный поворот структурного элемента z-ro уровня. В последнем соотношении учтено, что преимущественный вклад в линейное перемещение вносят структурные элементы с размером, близким к L* (рис. 6.21).'

Учитывая, что

До* a ZEjLj, ，

а распределение структурных элементов по размеру имеет характер, близкий распределению, предложенному в работе [52], получаем

* 6.21. Деформированный составной «Руюурный элемент среды

Рис* 6.22. Остаточный наклон стенки j

земной выработки при взрыве q - 500 够

L* a 无2叫力/(1 + к^къ

，де 心 r const » “丿与,.=1, 2, 3 …出 > 1).

Из последнего выражения легко оценить размер диссшта^ юй структуры. Действительно, принимая уь(г) н т в виде шрических зависимостей

为⑺Н а （Г/产）1 一喝q"3"产严,

скорость распрострскорость распростргде А, В, л и m - константы,

скорость распростр

скорость распростр

ния звука в массиве горных пород, получаем окончате 厶〜/卄用"D/3

Представления о среде, как совокупности иерархически подчиненных структурных элементов разного масштаба, в лучшей степени соответствует строению реальных массивов ннх пород. Особый интерес (как с точки зрения установлю деформационных характеристик породного массива, так и оцд размеров блоков, проявляющихся в результате внешнего 诵 нического возмущения) представляют наблюдения, проводим^ массиве, изначально ослабленному нарушениями естествеш характера^ либо в зоне крупных тектонических разломоЖ пределах которых блоки, слагающие горный массив, получ дополнительную возможность для стесненного либо свобо加 движения (в зависимости от конкретных характеристик меж( кового пространства и его заполнителя).

' Применим предложенную расчетную модель для интерпрет^ данных наклономерных измерений (см, разд. 6.3). В кан@ иллюстрации на рис. 6.22 представлены результаты обра& экспериментальных данных, представленных * на рис. 6Л6 ( подробных измерениях (ютаточных наклонов стенки выработ^ плоскости, нормальной рельсовым путям), выполненной помощью расчетной модели. Из рисунка видно, что, несмотря свою простоту, расчетная модель с достаточной для 口喇 ческих целей точностью описывает повороты естественной 風 ной структуры горного массива при ядерном взрыве.

Результаты обработки экспериментальных данных, 炉 ставленные на рис. 6.22, позволяют оцекщть размер незави

Рис. 6・23. Оскдгочный наклон стенки подземной выработки при взрывах мощностью ю кГ3) И 20 кГ(б>Рис. 6・23. Оскдгочный наклон стенки подземной выработки при взрывах мощностью ю кГ3) И 20 кГ(б>

Рис. 6・23. Оскдгочный наклон стенки подземной выработки при взрывах мощностью ю кГ3) И 20 кГ(б>

Рис. 6・23. Оскдгочный наклон стенки подземной выработки при взрывах мощностью ю кГ3) И 20 кГ(б>

Рис. 6.24. Остаточный наклон стенки подземной вырабапси при взрыве 50 干

движущегося структурного элемента

но, что вдоль штольни* можно вцделить три участка, заметно отличающихся размером структурного блока. Среднее значение 厶 по указанным участкам приведено ниже.

Интервал эпицентральньпс расстояний, м0-5050-230230-260

"м Ю3613,5

Приведенные результаты несколько отличаются от оценок, приведенных на рис. 6.16, в меныпую сторону (примерно в 1,5 раза в интервале эпицентральных расстояний 50-230 м). Однако представляются более убедительными, поскольку помимо условия неоднородности наклонов соседних блоков (что реализуется не всегца ввиду вероятностного характера выбора направления поворота) здесь привлекается для оценок более информативная характеристика угловых движений: иерархическая

изменчивость экспериментальных величин в пространстве.

Определенный таким образом размер структурных блоков по величине близок к размеру геологической неоднородности, выделенной при изучении стенок выработки. Сравнение экспериментальных результатов и оценок, выполненных с использованием расчетной модели, свидетельствует о принципиальной возможности использования предложенной расчетной модели дефор-

Рис* 625. Зависимость агаосительв(| смещения соседних блоков от скорое сейсмовзрывного воздействия (а - рас« по модели)

мирования блочного горного массива для оцецок 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 след подчеркнуть, что расчетная модель, описывая в целом харш 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-Чингизс регионального тектонического разлома (реперное поле), та 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, та^ и уменьшения, пс чено, что наблюдаемая в эксперименте картина относитель1 смещений соответствует движению блочной структур с линей1 размером £ » 60 м. Величина Де, оцененная с помощью рас ной модели при т ■ ОД с, представлена на рис. 6.25. Там для сравнения приведены экспериментальные значения Ас, лученные по результатам светодальномерных измерений f стояний между реперами, располагающимися согласно оценкам соседних блоках (например, реперы 4-8, 5-9 вдоль трассы и реперы 5-9 вдаль трассы 3-9).

Изучение движений, возникающих в массиве горных пород динамических воздействиях, свидетельствует о возможнс возникновения существенно немонотонных проявлений взрывь воздействия по мере увеличения расстояния 厂 Указанное ш

ние можно объяснить блочным строением реальных породных массивов, а также возникновением в структуризованной среде мо- ментсХв сил, вызывающих повороты структурных элементов разного размера.

Получейные данные позволяют устанавливать масштаб 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 усто龙нивостн массива горных пород к техногенным воздействиям.

65 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, интерпретируемые как разрушение среды. Характер указанных изменений определяется структурным строением, другими свойствами массива, а также свойствами и составом слагающих его горных пород.

Интенсивные нагрузки^ достигаемые в сформированной взрывом волне, приводят к существенному изменению механических характеристик горного массива и слагающих его пород. В 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 нагрузки связывается с нарушением сплошности, а следовательно,- связности отдельных ее структурных элементов между собой, что определяет в итоге блочный состав разрушенной среды. Здесь уместно отметить, что расчленение горной породы в результате взрыва на отдельные слабосвязанные между собой структурные элементы не всетда приводит к их беспрепятственному разделению по вновь образованным поверхностям.

При камуфлетных взрывах в отсутствии поверхностей и зон разгрузки большие деформации, сопутствующие взрывному движению, а также остаточные напряжения могут привести к достаточно плотной упаковке отдельных кусков породы разрушенного в иетм породного массива. Об этом свидетельствуют имеющиеся эксперименты по выпуску породы, разрушенной подземным ядер- ным взрывом [44]. Вместе с тем нарушение связности породного массива, вносимое в среду взрывным возмущением, отчетливо

Рис.尸 6. Максимальное радиальное напряжение во взрывной волне：

а ' "Райниер" q - 1,7 кт (/ - эксперимент, 2 - расчет); 6 - ”Хардхэт” 才 « "Шдул” (2) q - 12,5 кт, /, 2 - эксперимент, 3 - расчет jg q - 100 кт 雳

проявляется изменением основных механических свойств 。函 Установлено, например, что в области интенсивного трещи! образования заметно падает скорость распространения возмую ний, увеличивается пустотность, а также проницаемость пор4 ного массива и слагающих его пород [75, 78]. :

Изучение структуры массива горных пород в многочисленМ! экспериментах показало, что при относительном радиусе зо| дробления породы R/炉戸■ 35奉45 м/кт1/3 вновь образов^ ные при взрыве трещины прослеживаются до относительных р стояний №7产 ~70 ♦ 100 м/кт^3. Среди геофизиков им包 эта величина (сопоставимая с длительностью излучаемого : балыпие расстояния г сигнала) рассматривается в качестве | диуса зоны разрушения. Детальные исследования, проведение^ настоящей работе при опытно-промышленном ядерном взрыве j казали, что инструментально выделить зону дробления вну^ зоны наведенной трещиноватости не представляется возможна параметры нарушенности среды (трещиноватость 入 и коэффицж проницаемости 无〉представляют собой гладкие функхщи р стояния от взрыва г вплоть до г - Л2, где они выходят на ■ начальные значения. Это свидетельствует о том, что суп哨 вующая неоднозначность в оценке рамеров зоны разрушен^

*Помимо отсутствия феди специалистов единой трактовки понятия "и рушение" сказывается сложность изучения прямых характеристик нарушеш ти，например, количество вновь образованных трещин без. внесения в мм дополнительных возмущений при внедрении инструмента исследований.

связана с необходимостью привязки самого понятия иразруше- нне” к возможности осуществления конкретного технологического процесса» Йо имеющимся данным [14] коэффициент разрыхления породы кт должен составлять в этом случае величину не ниже %т ■七^ = 1,18. Относительный радиус области с t^ > > 崂 составляет для подземного ядерного взрыва 30-35 м/кт1^ При геотехнической подготовке массивов горных пород для целей подземного выщелачивания металлов, газификации углей и сланцев и т.п. радиус зоны достаточной нарушенности определяется проницаемостью средн и разветвленностью проницаемых каналов (коэффициент пронивда^ости Л > 0,1 Л средний размер куска <х> < 0,25 м 24 и составляет сжоло 60 м/кт1/3. Радиус области неупругих деформаций при взрыве (размер источника сейсмических колебаний), который также допустимо трактовать как размер зоны разрушения, составляет, как уже отмечалось, 80-100 м/кт1/3 в зависимости рт типа пород.

Отметим, что во всех указанных случаях при оценках размера зоны технологически приемлемых разрушений достаточно указать некоторое среднее значение. Сложнее провести оценку размера зоны разрушения в тех случаях, коща необходимо учитывать возникновение даже редких по щюстранству проявлений разрушающего действия взрыва. Так обстоит делоэ например, при определении безопасных расстояний, на которых обеспеч；!- вается целостность сооружений либо объектов. Не исключено, что в этом случае при установлении размера зоны разрушения массива горных пород необходимо ориентироваться на максимально возможные расстояния, на которых взрывное воздействие вызывает необратимые проявления, трактуемые как разрушение: аномально бошопие яеооратимые подвижки, раскрытие тектонических трепщн и разломов и т.п.

В связи с этим возникает два вопроса: о пространственной симметрии зоны взрывного разрушения массива горных пород и о возможности возникновение существенных (с №чкн зрения устойчивости среды и размещенных в ней сооружений) необратимых проявлении подземного взрыва на расстояниях до некоторого 凡“ превышающего радиус традиционно выделяемой зоны разрушения (100 м/кт^).

Что касается первого вопроса, то известно, что рамер зоны и интенсивность трещинообразования на конкретном азимутальном направлении определяется углом между направлением распространения волны сжатия и пространственным простиранием естественных трещин, либо границ раздела различных по составу и свойствам горных пород. Образованные взрывом трещины в большей степени развиваются в направлении естественной трещиноватости. г

Если говорить о дальнодействии взрыва, то в настоящее время накоплено значительное количество экспериментальных

данных, свидетельствующих о наличии необратимых проявлен^ на ^ассто父ннях, существенно превышающих 100 м/кт^. П|| этом масштаб указанных необратимых эффектов в отдельных 切 чаях может оказаться весьма значительным. К подобным и百 явлениям подземного взрыва прежде всего следует отнести яр* выраженные остаточные деформации породного массива в вш образования зияющих трещин (шириной до 10 мм), аномалш больших (до 10 мм) локальных подвижек и угловых деформшзд сбросов, деформации рельсовых путей, а также значительных1| ооьему вывалов породы в подземных выработках. Здесь же слй дует отметить изменение гидрогеологической обстановки J значительном удалении от взрыва [15]. У

Необходимо обратить внимание еще на одну важную особе! ность механического дальнодействия подземного взрыва: nf проведении повторных взрывов в пределах одной геофизическ плопдадки необратимые локальные проявления в среде могут вс никать при меньших по сравнению с предшествующими взрыва^ параметрах воздействия. Так, например, при повторном B3pid в слабонарушенных массивах диабазовых порфиритов отмечалв| вывалы горной породы в подземной выработке на расстояв^ 750 м/кт1/3, в то время как при основном взрыве того | масштаба (q ■ 500 т) вывалы породы наблюдались на расстск ниях до 470 м/кт^. В других экспериментах повторные 喷 действия, как уже отмечалось, вызывали значительную дефо诚 цию рельсовых путей на приустьевом участке выработки.

Одной из наиёюлее вероятных причин усиления механическс эффекта в дальней области при повторных взрывах является Н копление остаточных напряжений либо малых необратимых дефй маций от предшествующих воздействий на механически ослабл# ных участках горного массива. В этом случае повторные взрн могут вызвать значительные по величине остаточные проявлен^ даже на тех участках массива горных пород, на которых yj занные проявления (с учетом амплитуды воздействия) не ng нозируются. Последнее существенно усложняет анализ устойчй вости сооружений и породных массивов при интенсивных диншй ческих воздействиях.

В объемах, значительно превышающих объем зоны интенсй ного воздействия взрыва, отмечается существенно нерав» веское состояние среды, проявляющееся в виде остаточно сейсмических полей. Так при изучении механических эффект подземных ядерных взрывов "Венхзм”(Невада, США),嘀ядро】 и "Канникин”(о. Амчитка, США) [76, 79] были установлен размеры зоны афтершоков, которые допустимо интерпретировй как области локального последействия взрыва. Приведена ниже данные по указанным экспериментам (W - глубина взрш N к М ・ соотвётстаенно количество и магнитуда зафикси^ ванных афтершоков) дают следующие значения величин:

&"炉戶=650+1400 м/кт吗 у» 匸 0,05-0,15 м/с.

Эксперимент, . , «

"Венхзм"

"Милроу”

"Канникин”

% КТ

...1100

1000

5000

м

• • .1400

1200

1800

..,2000

300

800

2-5

1-3,5

1-4,5

&*, км

...10-14

6,3

13-

У**, м/с

• . . 0,05-0」

0,15

ОД

где уфф - максимальная массовая

скорость при г = &*

Тектоническая нарушенность массива горных пород может привести к значительному увеличению масштаба локальных необратимых проявлений взрывного воздействия*

При проведении подземного ядерного взрыва "Милроу" по существующим тектоническим разломам были зарегистрированы 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. Протяженность обновившихся разломов составила от 0,3 до 8 км. Аналогичные разрывы вдоль тектонических разломов (на расстояниях до 6 км от эпицентра) отмечались при взрыве "Еенхзм”.

Многочисленные наблюдения, проведенные при крупномасштабных подземных взрывах, позволяют устанавливать характерные размеры приповерхностной зоны откольных явлений. В частности, для взрывов с приведенной глубиной 巾/丁戶 « 80子 子120 м/кт1^ радиус зоны откольных проявлений по естественным нарушениям среды составляет в среднем окало 800 м/кт也 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 механических проявлений сейсмовзрывного эффекта [57].

Возникновение необратимых локальных щюявлений в среде на значительных расстояниях от места проведения взрыва обусловлено блочным строением реального массива горных пород. В этом случае пространственно средняя деформация среды складывается из к^юрмации собственно горной породы (блоков) и деформации существенно более слабого по сравнению с породой материала-заполнителя промежутков. В результате деформирование блочной среды осуществляется преимущественно по поверхности и зонам ослабления прочности, в окрестности которых по этой причине и происходит локализация необратимых проявлений взрывного воздействия. В зависимости от конкретной иерархической структуры породного массива и прочности межблоковых связей локальные разрушения могут наблюдаться на расстояниях вплоть до 103 м/кт1^. Известные масштабы структурных неоднородностей свидетельствует о том, что в природе не существует масхив горных пород, лишенных иерархически соподчиненной структуры. Например, реальный породный массив, не

при f f т:при f f т:1 4J31 4J3設」1/<n-w) ^(n-m)設」1/<n-w) ^(n-m)

при f f т:

при f f т:

1 4

J3

1 4

J3

設」1/<n-w) ^(n-m)

設」1/<n-w) ^(n-m)

содержащий тектонических разломов, имеет ослабления прся| ности на более высоком иерархическом уровне. При этом,璃 тественно, что масштаб необратимых локальных проявлевп- полностью соответствует масштабному уровню разрушаемю! структуры^ j

В любом случае при оценке возможных разрушений в массой горных пород в результате действия взрыва необходимо иметь | виду вероятность возникновения локальных разрушений в обдЬ сти с относительным радиусом до 105 м/кт1". ?

Радиус зоны локальных необратимых проявлений К*, оцездв

следующим образом. Представим породный массив в виде со* купности структурных элементов с линейным размером 工 ПЙ структурным элементом как и ранее будем подразумевать J дальнейшем отдельные блоки, составляющие породный массяи движение которых в пространстве может осуществляться в м статочной мере независимо. Полагаем, что взрывное воздёйс# вне не вызывает в среде необратимых проявлений, если 〃е4>^ мация, вызванная взрывом, не превышает некоторой критически величины £*・ Максимальная деформация в блочной среде доо1| гается в окрестности поверхностей ослабления, в связи с и& за меру критической деформации допустимо выбрать величий £ ■ Uo/Дгде Uo - агношгельное смещение граней соседкй

структурных элементов вдоль межблокового промежутка. $

Записывая поле макроперемещений в среде при взрыве в вид (6.25) и задаваясь скоростью смещения среды в волне сжатия ； виде (6.26), получаем с учетом (6.27), (6.33) и 厶 * 0,5 区

Для получения числового результата необходимо задавать^ величиной £ф. Рассматривая реальный породный массив в q чесгве долгоживущей нестационарной системы, допустимо ш брать в качестве минимальной оценки значения £*, достигаем{| в процессе естественного (фонового) деформирования земн^ коры. Многочисленные данные, накопленные при регистрацй приливных и других тектонических движений, позволяют выбрая в качестве еф величину равную (1-2) • 10*5 (отметим, что 侬 рушение реального горного массива наступает при достижеш| деформации 10'4 [25]. Оценка параметров взрывного воэдейс? вия дает в этом случае (д 工 1 кт, L ~ i(X) м) 及“ * 1000+1400 м, у“ 〜0,1 м/с* •

Среди возможных причин возникновения необратимых прояА лений по тектоническим разломам либо межблоковом промежуткам

при динамических воздействиях можно выделить несколько: разрушение межблоковых контактов либо матершла-запошштеля в результате взрыва, малое сцепление между поверхностями соседних блоков (низкий коэффициент трения), изменение водона- сыщенносги отдельных разломов я крупных трещин на момент взрыва, наличие неравномерно распределенных в. пространстве тектонических напряжений. На практике из перечисленных причин превалирует разрушение заполнителя. Для этого случая найденное значение R^ позволяет провести некоторые оценки, связанные с установлением прочностных характеристик материала-заполнителя межблоковых промежутков (либо горной породы повышенной нарушенности, если в качестве зон ослабления среды рассматривать крупные тектонические разломы)» Действительно, размер зонн разрушения определяется прочностью материала среды. Легко представить, что взрывная волна, амплитуда которой с расстоянием определяется преимущественно характеристиками горной породы, разрушает толее слабый в прочностном отношении заполнитель промежутков на больших расстояниях, чем горную породу. Полагая, что разрушение заполнителя является единственной причиной необратимых локальных проявлений на больших расстояниях от взрыва, получаем на основании зависимостей [36]

R。н ^l^Hpc^^19.

& ” RKpd/化Q",

с привлечением найденного ранее значения &., что прочность

заполнителя <гзаполнителя <гдолжна составлять в этом случае:

заполнителя <г

заполнителя <г

% * О,О1сг .

ще J?o и /?# - соответственно радиус камуфлетной полости и зоны разрушения; р к с ~ соответственно платность горной породы и скорость звука в ней; <г* - прочность породы на

сжатие.

Полученную оценку % следует рассматривать как вполне правдоподобную.*

Все, о чем говорилось до сих пор, вызывает необходимость совершенствования представлений о характере взрывного воздействия в реальннх массивах горных пород и в первую очередь ” выделения области локальных необратимых проявлении в качестве самостоятельной. Радиус указанной области составляет 700-1200 м/кт1^ в зависимости от конкретных харак- ^ристик породного массива. При этом необратимые локальные Деформации в среде проявляются при амплитудах воздействия, превышающих по максимальной массовой скорости в волне ежа- ^ величину 0,1-0,15 м/с. Последнее позволяет оконтуривать

выделенную зону с помощью кинематических параметров вз) ного воздействия.

Ниже приведены некоторые характеристики зон необрати деформирования среды при подземной взрыве, включая амплй воздействия на внешней границе каждой из зон 也 и сред объемную плотность энергии взрыва Е по зонам

е м 3E/(4nR3),

где R ・-радиус соответствующей зоны.

Зона взрыва.,.

. Полость

Дробления

Наведенной

Локала

трещинова

необрв

凡м/к#戶

,7-12

30-40

тости

80-120

прояш 800“ 1

х，м/с

200-500

20-50

2-5

0JU

% Дж/м3

ш9

107

105

102

Можно заметить, что объемная ухлотноств энергии взрш зоне локальных необратимых проявлений ( ДО2 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 】 кающие в связи с этим задачи устойчивости горных маса размещенных в них сооружений тррбуют углубленного нзу* вопросов, .связанных с влиянием индивидуальных особенна структурно-тектонического строения массива горных nop(v механические последствия крупномасштабного подземного 工 ва. Это ведет к необходимости разработки специальных ж дов и способов диагностики массивов горных пород с g установления характеристик их Первоначального и kohcQ состояний как в смысле структуры, так и пространственной однородности физико-механических свойств и напряжев состояния.

7・ 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) являемся накопление необраН проявлений в результате внешних возмущений с последу!

226$

релаксацией. При этом масштаб релаксационных процессов может определяться не только масштабом внешнего воздействия, но также значением внутренних напряжений, установившихся в результате эволюции конкретйого участка земной коры. 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 неприэтным последствиям, сопровождающимся подвижками горных пород, оползнями, землетрясениями.

Примером локального воздействия на геофизическую среду является взрыв крупного заряда. С точки зрения механики деформирования твердой среды крупномасштабное взрывное воздействие приводит к весьма значительным необратимым проявлениям в большом объеме массива горных пород. При этом крупный подземный взрыв может выступать как в роли самостоятельного источника структурных аномалий либо неравновесных 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 воздействием подземного взрыва флуктуацию естественных полей 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 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 присутствуют поверхности либо зоны ослабления прочности, 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 ьолн разной интенсивности.

Прмимо указанных причин высвобождения запасенной в с энергий сейсмические эффекты при подземных (в частнс ядерных) взрывах могут порождаться процессом, не связанна накоплением либо перераспределением энергии: обрушением ной породы, расположенной непосредственно над камуфлс полостью. Однако указанные процессы носят локальный хар# и не представляют интереса с точки зрения экологических следствий крупномасштабного взрнва. Их выделение из об сейсмического процесса, как показывает опыт, облегчается личием у них характерных признаков: частота колебаний е 1-2 Гц, длительность - 10-50 с, слабовыраженные вступлевд главное - размещение сейсмических источников в непосрс венной близости от полости либо столба обрушения.

МЕТОДИКА СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Регистрация остаточных сейсмических проявлений в ок| ности подземных ядерных взрывов проводилась в аналог виде и с помощью автономной цифровой станции К-ПРС [I качестве первичных преобразователей использовались се* приемники типа СМ-3 со встроенными предварительными уси| лями« Структурная схема измерительного комплекса вюп| (рис. 7.1) центральный пункт сбора и накопления сейсми« информации и несколько выносных периферийных пунктов рф рации, размещенных на местности. }

При регистрации сейсмических сигналов в аналоговом! периферийный пункт оснащался сейсмоприемником СМ-3 с вм омной (2 кОм) катушкой для согласования выхода первМ преобразователя с выходом усилителя. В применяемых сей^ ских каналах использовались полевые измерительные усил^ конструкции С.К. Дарагана с широким диапазоном регулж ускпения от 2 до 1(г.

Рис. 7.1. Блок-схема регистрации афтершоков：

/ - датчики; 2 - согласующие усилители; 3 - блок формирования 力 ристик; 4 - усилитель; 5 - регистратор видимой записи; 6 - АЦП; 7b долговременной памяти; 8 - блок точного времени

Непосредственная регистрация сигналов проводилась с помощью гальванометров ГБ-1У-С5 с собственной частотой 5 Гц, установленных в электромеханическом осциллографе 0МС-2М. Сквозное усиление каналов регистрации выбиралось в соответствии с уровнем сейсмического фона и составляло около 1,6-lQ5. Сейсмическая информация в виде аналогового сигнала (|шксировалась на фотобумаге, размещенной как в стандартных кассетах вместимостью 10 м, так и в специалюго сконструированных кассетах повышенной вместимости (до 50 м).

В случае использования цифровой измерительной системы периферийные пункты оснащались сейсмоприемниками СМ-ЗКВ со встроенными предварительными усилителями или трехкомпонентной сейсмической установкой типа ССИ, хорошо зарекомендовавшими себя прк работе в полевых условиях, а также 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 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 сейсмока-1- налов, на основе которой можно строить площадные сейсмические измерения.

В качестве центрального пункта сбора и накопления инфор- мацин служил палевой вариант автономной цифровой сейсмической станции типа К-ДРС. Основные эксплуатационнотехнические характеристики регистрирующего комплекса приведены ниже.

Число каналов регистрации 6

Частотный диапазон регистрируемых сигналов при передаче по кабельной линии, Гц°」-3°

Максимальная амплитуда регистрируемых сигналов, В 1°

Динамический диапазон цифровой регистрации, Дб•66

Идентичность амплитудно-частотных характеристик каналов регистрации, % 1°

Частота дискретизации на канал, Гц 83

Стабильность частоты опорного генератора 2 е 10"8

Время цифровой регистрации и непрерывном режиме, ч 3

Регистрирующий комплекс позволяет вести прием аналоговых Згвалов одновременно по шести каналам, оборудованным вход- 皿ми фильтрами с частотой среза 25 Гц и согласующими усиди- ^ями. С выхода блока согласующих усилетелей аналоговые

229

JL 5坎Шум-6HR-ЗОЕ

Рис. 7.2. Схема регистрирующего комплекса

сигналы подавались на регистраторы видимой записи (РВЗЙ блок цифрового преобразования, откуда в виде параллель^ 11-разрядного двоичного кода записывались на магнитную nd накопителем JIMP-VIM. При использовании входных фильтров К тизна правостороннего среза частотного диапазона каналов ставляла не менее 60 Дб на октаву. Выбор частотной хара向 ристики канала был обусловлен ожидаемым спектральным cod| вом остаточного сейсмического поля (1-20 Гц), а также н甲 ходимостью подавления силовых промышленных помех часто, 50 Гц.

Калибровка сейсмических каналов проводилась генератор寸 методом в начале и по завершению наблюдений, а также | изменении конфигурации сейсмической сети.；

Сейсмоприемники располагались в специальных приямках d биной около 0,5 м. Для предотвращения смещения первич£| преобразователей в момент основного (взрывного) воздейсл! они были закреплены четырьмя металлическими штырями, вбиты в грунт. Предварительные усилители вместе с автоном^ источником питания располагались вблизи сейсмоприемников.

Основная регистрация аппаратуры, а также системы автон^Е ной автоматики и службы времени размещались в ПАУ, pacnd женном в центре паля измерений* Для защиты от основного в действия указанная аппаратура размещалась на специаль| 230

Рис. 7.3. Результат спектрально-временного анализа участка сейсмической записи, содержащего полезный сигнал (4) (полоса пропускания фильтра 0,5 октавы):

1-3 - центральная частота фильтра, соответственно 6,8; 8,0 9,6 Гц

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 составляла 2,5-3 ч). Включение и выключение аппаратуры осуществлялось с помощью специально разработанной автоматики.

В процессе проведения исследований была также испытана и рекомендована к использованию в методиках контроля подземных ядерных взрывов схема измерительного комплекса на основе портативных измерительных магнитофонов типа HR-30 (рис. 72)・

Специально разработанное программное обеспечение позволяло проводить анализ сейсмических записей в режиме "off - 麻е" с ввделением полезного сигнала, определять его амплитудно-частотные характеристики, осуществлять локацию очагов афтершоков и определять их геометрический центр.

Выделение полезного сигнала на фоне естественного сейсмического шума проводилось на основе частотной селекции. Выбор оптимального фильтра осуществлялся с помощью спектрально- именного анализа [43]. Указанный метод реализовался путем Проведения скользящей оценки интенсивности сейсмических ко-

лебаяий в различных частотных интервалах. При этом на дй| грамме время-частота полезному сигналу соответствует облас| повышенных значений интенсивности, которая определи частотный диапазон и размещение сигнала на временной

(рис. 7.3).

Локация (определение координат) афтершоков сюуществлялй следующим образом. По сейсмическим записям, полученным с 口 мощью малоапертурной сети пунктов решстрации, по максиму^ взаимной корреляционной функции определялись разности врем прихода сигнала к каждой паре пунктов. Область возможных d ложений гипоцентров афтершоков покрывалась сеткой тояй №那(%疗» с некоторым шагом Л и определялась точка 陷 в которой достигался минимум максимальной невязки разноств времен прихода (либо суммы квадратов временных невязок). g следующем этапе вычислений окрестность точки 叱 покрывала! сеткой точек с шагом Л1 < Ло и вновь определялась точка # по тому же принципу. Указанная процедура повторялась до £ пор, пока дальнейшее уменьшение шага разбиения не приводу к возрастанию максимальной временной невязки. МинималыН шаг разбиения пространства, при котором сюуществлялся рй чет, интерпретируется как точность определения гипоцет очага афтершока» В зависимости от конкретных условий п> ведения эксперимента и качества сейсмической записи точное локации очага составила величину от ±25 м до ±100 м. '

ХАРАКТЕРИСТИКА АФТЕРШОКОВ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА КАК СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ

Регистрация наведенной сейсмичности проведена в настояц| работе при восьми подземных взрывах эквивалентной мощное^1

от 0,3 до 150 кт в скальных массивах гранитоподобного типа*

Опыт

Экяивалентная

1

2

3

4

5

6

7 一

мощность, кт Глубина

10

20

0,3

150

150

10

61,8 j

взрыва, м ... Характеристика

560

550 '

68

600

600

791

500100 ■

среды

Слабо- Сильно- нару- нарушен шейные ные граниты граниты

Граните- Песчаники

-подобные породы средней нарушен- ности

Граниты, Грш сланцы • то 碑

& 1/ч

220

2600

10

400

540

20

——

Л

0,6

1,0

0,2

0,7

0,7

0,4

---

ь .

0,6

12

1,2

0,65

0,65

0,6

Наведенные взрывом сейсмические явления (афтершоки) пр ставляют собой последовательность сейсмических событий f 232

Спектор мощности афтершокового сигнала

Рис. 7.5. СпектрРис. 7.5. Спектрмощности афтершокового сигаала

Рис. 7.5. Спектр

Рис. 7.5. Спектр

Рис. 7.6. Зависимость ко* личества афтершоков от магнитуды

ного масшт症澳 Характерная форма афтершокового импульса ji его участотный спектр представлены на рис. 7.4 и 7.5. В щей сложности (регистрация проводилась сеансами) в конкре^ ном эксперименте регистрируется от 100 до 2500 афтершоков| Время существования наведенной взрывом сейсмичности опред电 лялось многими факторами и, как показали наблюдения, состав вило в разных экспериментах величину от 5 сут до 2)5 мес. ;

В частности, при взрыве "Венхзм” (США, мохцность 1100 о [76], магнитуда по объемным сейсмическим волнам составишь 6,3〉было зарегистрировано 2012 афтершоков. Наиболее мощн^ афтершоки с магнитудой М. до 4,4 (местная РнхтероЕСка^ наблюдались в первые 6 сут. В качестве иллюстрации 由 рис. 7.6 приведено распределение афтершоков, зарегистр* рованных при взрыве "Венхзм” по магнитудам М〔 Аналитическая зависимость ^(也〃 ще N - количество сейсмических событи| с данной магнитудой М^ представима в виде

1 跋-3,48 子0,81 Mv

Как любой другой релаксационный процесс, наведенная взрЦ вом сейсмическая эмиссия носит нестационарный характер: ам<^ литуда сейсмических событий, их повторяемость измеряются 胃 времени. В первые сутки взрыва "Венхзм" все зарегистрирован^ ные афтершоки имели магнитуду ML > 1,5； на пятнадцатые cyiW количество афтершоков с такой магнитудой составило 15%;由 40-е - 5%. В качестве примера на рис. 7.7 показано изменений относительного количества слабы афтершоков со временем установленное в настоящей работе при одном из отечественны^ 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, отражающН напряженное состояние» строение и другие свойства геофи зической среды, является регулярность распределения g дельных сейсмических событий во времени. В качестве пример на рис. 7.8-7Л0 приведено изменение наведенной сейсмиче ской активности со временем при отечественных эксперимента! и при взрыве "Венхзм". Временное распределение афтершоко| хорошо аппроксимируется зависимостью

тде N(t) - число сейсмических событий в единицу времени; t время с момента взрыва; с и Л - эмпирические константы (3 стр. 000).

С той достоверностью, которую обеспечивают эксперимек тальные измерения, установлено, что степень изменения ин 234

тенсивности афтершоковых событий со временем для афтершоков с разной граничной амплитудой примерно одинаково (см. рис. 7.8). Необходимо отметить, что при взрыве в сильно нарушенных массивах горных пород поствзрывная сейсмическая эмиссия характеризуется более слабой интенсивностью и заметно меньшими значениями степени Л (опыт 3 и 6). При этом время существования остаточных сейсмических полей существенно меньше, чем при взрыве в слабонарушенных прочных породных массивах (5 сут в опыте 3 против 80 сут в опыте 2).

Характерно, что экспериментальная зависимость (7,1) 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 временем может быть описано зависимостью:

С，" при t < ti

“ Ciexp(-pO при t > h

Согласно [18] Л ■ const, р ■ const, а конкретное значение 厶 составляет около 100 суток. Вместе с тем имеются данные [18] о том, что показатель степени Л изменяется со временем: частота возникновения афтершоков в ранние моменты времени затухает как 少俘 (или 纱)，а с течением времени Л 1.

Энергия афтершоков. Сейсмическая энергия афтершоков в эксперименте пБенхэми составила около 1% от энергии 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 4Д выделилось 90% от суммарной сейсмической энергии всех афтершоков, в то время как сейсмическая энергия ас^ерпюков с магнитудой 0 < ML < 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 превышает энергию взрыва. Последнее может произойти в том случае, коща значительный по объему участок массива горных пород с большим запасом тектонической энергии находится в состоянии неустойчивого равновесия* В этом случае подземный взрыв может явиться спусковым механизмом для землетрясения.

Примером подобного техногенного землетрясения может служить крупное сейсмическое событие, произошедшее 16 апреля 1989 г. в районе Кировского рудника ПО “Апатит” после проведения массового взрыва [65]. Взрыв 230 т ВВ на горизонте +252 м представлял собой обычный массовый взрыв для отбойки очередного блока горной породы. Система замедлений с

小二 二方 绚^勿42

Рис. 7.9 тельности опьпе 1

2

афтершоков со временем в

Рис 7.7. Зависимость отно

сительного количества

тершоков с амплитуд。％ превышающей 400 нм/с.

времени

аф-неот

Рис 7.8. Интенсивность послед# вагельности афтершоков со времен^ в опыте 2：

У - > 300 нм/с; 2 - > 3000 нм/< 3 ・ > 6000 нм/с

"〃夕 切h

必

Рис. 7.10. Зависимое!» количества афтершоков при взрыве мБенхэм от времени (время отсчитывается с момента взрыва)

2

рис. 7.U. Зависимосп» энергии афтершоков от маг нитуды сейсмических собыгай

последовательным взрыванием вееров скважин занимала интервал 400-500 мс. Именно в этом интервале с некоторой задержкой от начала взрыва произошло землетрясение, которое по сейсмическому эффекту в эпицентре имело силу 6-7 баллов. В г. Кировске, отстоящем от эпицентра на 6 км внешние проявления соответствовали 4-5 баллам. Магнитуда землетрясения М[ ■ 4,8+5 соответствует сейсмической энергии 1严 Дж (для сравнения сейсмическая энергия взрыва составляет 108" Дж).

Соотношение между количеством афтершоков разной интенсивности. Привлекая материалы инструментальных наблюдений, можно установить основные закономерности формирования аф* тершоков как некоторых событий, сходных по своей природе с афтершоками землетрясений^ и в первую очередь - землетрясений антропогенного происхождения» Как известно [25], одним из наиболее важных соотношений, характеризующих сейсмический режим конкретного участка земной коры, является зависимость» связывающая повторяемость сейсмических событий с величиной их магнитуды (Гутенберг - Рихтер):

IgM . Ai - W, (7.2) хде М ■ число сейсмических событий с магаитудой, большей или равной М; А и b - эмпирические константы. Не касаясь на

tgNtgN

tgN

tgN

Рис* 7.12. Повторяемость афтершоков в висимости от амплитуды:

/ и 2 - соответственно опыты 1 и 5

Рис* 7.13. Повторяемость афтершоков в висимости от амплшуды：

1 и 2 - соответственно опыты 2 и 3

данном этапе вопроса об определении и установлении магниту^ афтершоков, проанализируем зависимость величины М^ от ампли туды афтершока А・ Воспользуемся зависимостью между знерги@ сейсмического события Е и его магнитудой [25]

1* -11,8 + 1,5М(7.3)

Так как полная сейсмическая энергая связана с амплитуде) Ло зависимостью [25]

Е =左凶，_(7・4

тде 自 н 3吟＞口0^統，получаем с использованием (7.2)-(7.4)

Западная долгота

Рис. 7Л4* Распределение очагов афтершоков при взрыве “Венхзм; (крестом обозначено место проведения взрыва)

IgM ■ 1,33b lg4)・ (7.5)

Здесь: рис- соответственно плотность среды и скорость распространения сейсмических колебаний в ней; /ь - его преимущественная частота; п - расстояние от очага до пункта регистрации; т0 - длительность сигнала.

С использованием зависимости (7.5) легко восстанавливаются значения параметра Ь в зависимости (7.2) для разных экспериментов. Результатн обработки некоторых экспериментов представлены на рис. 7.12 и 7.13» Несмотря на сильно отли-

go*o3da,EdicfO^ESSS^go*o3da,EdicfO^ESSS^

go*o3da,EdicfO^ESSS^

go*o3da,EdicfO^ESSS^

Рис. 7Л5* Распределение афтершоков глубине (эксперимент ••Бенхэм**)

О

9

° 500 ЮООм° 500 ЮООм

° 500 ЮООм

° 500 ЮООм

Рис. 7Л6. Распределение эпицешров ad терпким» по азимуту (опыт 1) при ашим туде афтершоков > 2500 вм/с (У), от до 2500 (2% от 400 до 1250 нм/с (3)

Рии 7/7. Распределение эпицетрой афтершоков по глубине (опыт 1).

Обозначения а*, рис. 7.16.

Таблица 7-1

Пространственное распределение афтершоков взрыва

Квадрант

Количество афтершоков (%) с амплитудой, нм/с

Свыше 400

400-1250

1250-2500

Свьппе 2500

1

19

20

18

18

2

7

10

9

3

18

30

22

4,5

4

56

40

51

77,5

чающиеся условия экспериментов, величина параметра b варьируется не сильно:

b 0,6+1,2.

Локация очагов поствзрывных сейсмических явлении представляет особый интерес, поскольку пространственное распределение событий не только указывает на величину зоны неравновесного состояния среды, но и позволяет судить также о роли структурно-тектонического строения среды в формировании неравновесных энергетических полей при крупномасштабных подземных взрывах.

Из 2000 афтершоков, зарегистрированных в эксперименте "Венхзм", удалось установить координаты 857 событий [76] (рис. 7.14 - и 7Л5). 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 направление вдоль которого вытянута область, занимаемая 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 отечественных экспериментов приведены на рис. 7J6-7.17. 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 < "d3 < 1000,

где q - мощность взрыва, кт.

В частности, в опыте I лишь 2 сейсмических события из лоцированных произошли в зоне разрушения на относительн расстояниях г/^』65 н 74 м/кт1^ от взрыва.

Статистическая оценка повторяемости афтершоков. Веа важной характеристикой с точки зрения описания и прогнозй] вания наведенных взрывом сейсмических полей является пов1 ряемость афтершоков (количество сейсмических событий в © ницу времени). Сложность причинно-следственных связей мел поствзрывными эффектами и основным (взрывным) воздействк исключает возможность построения детерминированной мате) тической модели афтершоков. По этой причине для анал] повторяемости афтершоков следует привлечь статистичеа методы. В этом случае генеральная совокупность возможц значений повторяемости событий представляет собой н^ дискретных событий 1, 2, 3, ..., м. При этом следует g тить, что построение вероятностей математической модели 胃 можно только в случае описания случайных событий, каждое которых происходит независимо от других (либо при прове^ гипотезы независимости).

Оценить, носит ли процесс возникновения афтершоков в i лом случайный характер, можно следующим образом. Будем а сматривать напряженный породный массив в окрестности круш масштабного взрыва в виде большого количества потенциальм очагов сейсмических возмущений, каждый из которых може| малой вероятностью проявиться независимо от состояния гих очагов. В этом случае повторяемость афтершоков (част их наступления в единицу времени) является случайной ве^ чиной.

Наиболее подходящим для нашего случая распределен^ вероятности дискретной случайной независимой величины : ляется распределение Пуассона: дискретная случайная вели^ распределена согласно закону Пуассона, если она приник бесконечное счетное множество значений 0, 1, 2,…，加 вероятностью

р入出-#е"/м,

где 入-параметр распределения.

Обозначим через АЕ промежуток времени, между двумя следовательными афтершоками. В соответствии со сделашЩ предположениями параметр Af представляет собой случай* величину. Так как событие Af > f эквивалентно тому, что промежуток времени f не будет зарегистрировано ни одй афтершока, записываем функцию распределения в ввде

< 0 - 1 -(7；

Легко оценить расхождение между теоретической невер

Рис. 7.1& Относительное отклонение параметра повторяемости афтершоков от прогнозного значения, полученного на основе статистического анализа с помощью распределения Пуассона:

/ - опыт 1; 2 - опыт 3

ностью повторяемости рассматриваемых событий и фактической вероятностью их наступления, установленной экспериментально, задаваясь параметром Л - т* в качестве наилучшего приближения при описании потока случайных событий, где т+ - генеральное среднее значение параметра А/, взятое из эксперимента.

В качестве параметра, характеризующего отклонение реального распределения повторяемости афтершоков от пуассоновского, выбираем величину

AN/М н

где М - количество афтершоков со временем следования Л/ < / зарегистрированное в эксперименте; NT - та же величина, рассчитанная с помощью зависимости (7.6).

Результаты численных оценок представлены на рис. 7.18, откуда следует, что пуассоновское распределение описывает повторяемость афтершоков с достаточной для практических оценок точностью только в области Af > 2т*. Для малых времен следовЛ1ия А/ < т# наблюдается значительное отклонение фактического распределения от теоретического. Последнее допустимо рассматривать как указание на коррелированный характер части афтершоков с малыми временами следования: заметное количество афтершоков с малыми 加 обусловлено высвобождением энергии в близкорасположенных очагах. Отметим, что подобное отмечается и при анализе афтершоков крупных землетрясений [71].

Формирование последовательности афтершоков §i, i = 1, 2, 3, ..., п в районе проведения ПЯВ, как уже отмечалось, связано с высвобождением упругой энергии, накопленной в среде

243

за предшествующий период времени. Естественно полагать,叫 конкретное сейсмическое событие s. обусловлено разгрузка вполне определенного по величине объема К участка породног! массива. При этом остается открытым вопрос была ли высво0^ дившаяся энергия запасена в результате взрыва или же ее 5 пас явился действием тектонических сил, а взрывное воздело вие сыграло лишь роль спускового механизма. Вопрос этот нов, поскольку сейсмическими явлениями, порожденными кру现 масштабным воздействием на геофизическую среду, занимались ранее. Примером такого крупномасштабного возмущения, в W зультате которого (так же как и в случае подземного ядер氤 го взрыва) возникают сейсмические явления, является запЗ некие искусственных водохранилищ [18]. Проведенные в случае специальные исследования показали [18], что основ题 причиной возникновения землетрясений являются тектонич напряжения. Основанием для этого послужит тот факт, возникающие в среде напряжения при наполнении водохранилц не соответствуют величине высвобождающейся при наведенн* Землетрясениях энергии. Так для озера Кариба (Африка), @ мого крупного в мире водохранилища (объем 175 kR, мак^| мальное увеличение вертикального нормального напряжен^ оценено в 0,67 МПа, а горизонтального - не более, чем 1 0,21 МПа [81] •f

Эти напряжения, во-первых, малы по сравнению с прочност# горных пород, достигающих 100 МПа, а во-вторых, не способ^ вызвать больших землетрясений. Как известно [18], бнстЕ

наполнение озера Кариба в 1959 году вызвало интенсиву

“，1961 по 1962 г. зарегистрировй

сейсмическую

активность

(с

более 2000 толчков, а за период с 1959 по 1968 г. 14? землетрясений с магнитудой > 2,0; в дополнение к этому 扌 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 сентя^ 1963 года в районе озера зарегистрировано максимальц землетрясение с магнитудой 6. Сдвиг по времени между пик< уровня воды и сейсмическим событием составил 1,5 мес.

Приведенные данные нельзя напряму; подземного ядерного взрыва хотя бы

ю переносить на. слу<по той причине,中

источники механического возмущения при сосредоточенном в 叫 ве и создании нагрузки, распределенной по большой площ顧 существенно различны. Более того, при наполнении вол хранилищ значительную роль в формировании сейсмического j жима играет первое водонасыщение [18] (эффекты, связан^ с изменением первого водонасыщения при подземном ядерк взрыве в настоящее время не изучены). Тем не менее а необходимо иметь в виду при анализе причин возникновеи релаксационных процессов при взрыве. ...

Принципиальное сходство афтершоковых явлений при взрыв/

землетрясениях, вызванных наполнением крупных искусственных во屈емов (и в том, и в другом случае это - следствие антропогенного возмущения среды) позволяет нам использовать не- некоторые подходы к изучению рассматриваемого явления, сформулированные в результате обобщения и анализа большого 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 постоянно перемежаются события разной интенсивности. В этом случае афтершоки малой амплитуды, примыкающие по времени к сейсмическому событию, значительно отличающемуся по интенсивности (главное событие), могут иметь как независимый, так и коррелированный с ним характер. При этом коррелированные события могут предшествовать крупному афтершоку (форафтершоки) либо следовать сразу за ним (постафтершоки). Объединяя частоту проявления форафтершоков и постафтершоков на временной шкале, мы можем получить некоторую сообщающую схему, которую допустимо назвать моделью форафтершоков - 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 наблюдается в однородных средах с равномерно распределенными напряжениями.

Модель 2. Если среда недостаточно однородна или же 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 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 афтершокрв с малыми временами следования At 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 & < 10 с, зарегистри|юванных в разных экспериментах, представлены в табл. 7.2 в виде относительного количества (%) случаев, в которых главному событию предшествует форафтершок.

Таблица 7.2

Относительное количество (%) случаев

Отношение амплитуды главного события к

Эксперимент

амплитуде

1

4

5

6 ' 1

1 60 50 73 77 2 50 - 75 3 _ - 82 - 10 74 - - -

Как видно из данных, представленных в табл. 7.2, кол專 чество форафтершоков и постафтершоков для событий с малй ми временами следования отличаются не сильно. Это означай (в рамках известных допущений), что формирование последов^ тельности афтершоков подземных ядерных взрывов происходит J целом в соответствии с третьей моделью. То есть внсвобо專 дение энергии, запасенной в среде, происходит в условиях 时 однородного строения среды и при наличии зон конц^нтравд напряжений.

ОЦЕНКА РЕЛАКСИРУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ В БЛОЧНОЙ СРЕДЕ

Оценим напряжения, релаксация которых сопровождаете сейсмическими событиями, зарегистрированными в экспериме# тах. Для этого зададимся механизмом генерации сейсмически колебаний. ■；｛

В настоящее время разработано несколько физических мод| лей сейсмического очага. Наиболее удобным с точки зреня практических оценок является представление источника се爾 мических колебаний в виде двупараметрического множества тй чек поверхности, подверженных действию ньютоновых сил 口洌 В, зависимости от конкретного физического смысла» вкладывав мого в термин "разрушение", возможны две интерпретации этц модели. В первом случае, когда под разрушением понимаете механический процесс уменьшения энергии сцепления при нар^ шении связи между частицами, находящимися по обе сторош некоторой поверхности (поверхность разрушения)) генерир вание цуга знакопеременных колебаний происходит в результ^ те зарождения и прерывного распространения трещины в пре странсгье (13]. В том случае, когда в среде имеется иера| хическая структура в виде блоков разного масштабного ypoi ня, генерация сейсмической волны происходит в peзyльтai прерывных подвижек блоков. ；

В дальнейшем будем представлять реальную геофизически среду в виде совокупности иерархически соподчиненных стру|

турных элементов (блоков). Будем считать, что размер сейсмического источника совпадает с размером одного из блоков. Примем механизм излучения знакопеременного колебания в виде прерывного сдвижения блока [13]: движение блока перемежается остановками. После очередной остановки движение возобновляется через время

т « 2L/cb

где 6 - скорость распространения поперечных волн в блоке с линейным размером L.

Поскольку блок покоится в течение половины периода излучаемой волны, получаем

т а l/2/o

и, следовательно,

L * з/(4%)・

Последнее соотношение позволяет оценивать размер 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)

厶6 a干(匕一2У) J,

где У и Yi - соответственно модуль деформации среды и участка ослабления прочнсхл'и, £* - пластическая деформация, получаем с учетом величины стесненного поворота блока:

力**1舒忆.(7.7)

Здесь а = Н/У; уь(г) и т - соответственно максимальная массовая скорость и длительность взрывной волны сжатия на расстоянии г от взрыва.

Представляя в (7.7) выражение для £, получаем

山 а 16ауо(г)17оУ . Ис 1*

Привлекая для оценок результаты локации эпицентров афтер- шоков, легко оценить величину релаксирующих напряжений А(г. Для а = 10*2, А « 10 П;, У = 5-1010 н/м, з ■= 3000 м/с получаем

0,06 < Д(г < 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, а также существенно несимметричное расположение эпицентров

247

афтершоков вокруг взрыва свидетельствует о значительной рол* структурного строения геофизической среды в формированш^ неравновесного энергетического поля при подземном взрыве.

7Л О ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ЗА ПРОВЕДЕНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ

ПО ОСТАТОЧНЫМ СЕЙСМИЧЕСКИМ ПРОЯВЛЕНИЯМ

Необходимость создания надежных способов контроля ： соблсодением договорных обязательств стран-обладателей яде( ного оружия выдвигает в ряд наиболее актуальных проблей идентификации и обнаружения очагов подземного ядерн^ взрыва. Одним из перспективных способов решения этой зада^ представляется выделение и геофизическая интерпретаци поствзрывных сейсмических проявлений в районах предпа^ гаемого проведения подземных ядерных взрывов^ МетоДш позволяет не только контролировать проведение работ на 而 лигоне, но и устанавливать более точные координаты взрыц а также оценивать мощность взрыва и глубину его проведения^

Значительные напряжения и деформации» достигаемые ng крупномасштабном подземном взрыве, приводят к нарушен^ естественного равновесия среды. Возникающие вследствие этс^ релаксационные процессы определяются амплитудой и пр странственным масштабом взрывного воздействия. Характера 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(Й пределением энергии, поступающей извне, среда может ходить в неравновесное состояние. Последнее в свою очер{| ведет к возникновению диссипативных процессов, вызываем) релаксацией аномально высоких напряжений на неоднородное* разного масштаба.；

Примером релаксационного процесса, вызванного действ1й природных возмущающих факторов, может служить такое изв^ ное природное явление как землетрясение. Нечто подобя происходит в земной коре и при крупномасштабных техноге吋 воздействиях: строительстве и изменении режима эксплуата? водохранилищ [18], захоронении жидких промышленных отх0 ⑼，крупных взрывах. Во всех случаях интенсивность денных сейсмических явлений в среде определяется величий внешних возмущений.'§

Регистрация наведенных взрывом сейсмических проявле|

(афтершоков), локация их очагов позволяет судить о состоянии конкретного участка геофизической среды в плане его устойчивости получать косвенные данные о происходящих в нем релаксационных процессах и, как следствие,- величине первоначального воздействия - мощности взрыва д. Амплитуда, частотный спектр и время существования остаточных сейсмических полей в районе проведения подземного ядерного взрыва позволяют проводить их регистрацию в течение продолжительного времени, достаточного для доставки и развертывания регистрирующего аппаратурного комплекса в любом труднодоступном районе.

Для целей контроля наиболее результативными величинами являются: пространственная совокупность афтершоков разной интенсивности; амплитудные характеристики сейсмических проявлений; размер релаксирующей области.

Локация источников поствзрывных сейсмических проявлений представляет особый интерес. Прежде всего это попытка решить основную задачу инспекции, а именно: ограничить в 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 механизма.

Таким образом, локация источников позволяет ответить еще на од血 вопрос: что же является основной причиной афтершоков? В том случае, если очаги располагаются преимущественно симметрично относительно источника взрыва, можно говорить о слабом влиянии структуры среды на процесс формирования 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 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 зарегистрированных афтершоков всеща можно выделить выборку событий с амплитудой в некотором ксжкретном интервале ai < Ао < а2, геометрический центр которых близок к эпицентру взрыва.

В ^случае необходимости осуществления контроля за выполнением договора о частичном запрещении испытаний, предусматривающего ограничения на энергию ядерного заряда, основным контролируемым параметром является мощность взрыва.

Рис. 7」9. Радиус зоны наведенной се耻貿 ности при взрывах в Неваде (7) и Семип{ тинске (2)； 3 - расчет согласно зависим 亿8)

Для определения мощности воспользуемся особенностями пр(Н странственного распределения афтершоков. Как известно»! величина амплитудных параметров взрывной волны, сжатия 蹴 разных расстояниях от взрыва г определяется его энергией.耳 частностн, максимальная массовая скорость (наиболее удобны^ для инструментальной регистрации параметр взрывного воз； действия) для разных q изменяется с расстоянием г согласий зависимости

Vb = А(г/^Уп.

где Л и л - эмпирические константы, определяемые свойствам^ среды.^

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 сред域 получена зависимость между радиусом зоны локальных неббрг тимых деформаций К (включая остаточную сейсмическую эми сию) и эквивалентной мощностью взрыва q (кт) в виде*

&* ■ cd3, с ~ 103. (7.8)

На рис. 7Д9 приведены экспериментальные данные, пол) ченные при изучении подземных ядерных взрывов разной мотц ности. Там же для сравнения нанесена зависимость (7.8》 Видно, что в широком диапазоне изменения g результата инструментальных наблюдений в целом подтверждают справед； ливость соотношения (7.8). Это свидетельствует о принцу пиальной возможности установления мощности ядерного заряд^ по результатам измерений остаточных сейсмических полей Однако при этом необходимо учитывать, что на величину ко* фициента с существенное влияние могут оказать механически^

Рис. 7.20. Характерная максимальная амплитуда афтершоков：

7 - подземные ядерные взрывы; 2, 3 - взрывы химического ВВ соответственно на р. Уч-Терек и ПО "Апатит”

характеристики среды в месте проведения взрыва и в 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 К**(д) на рис. 7.19 (1 < (/ < 150 кт) исследован в условиях Семипалатинского полигона. И хотя данные по крупным взрывам (q > 10 кт), проведенным в США не противоречат установленному соотношению (7,8), для получения надежной величины коэффициента с, обеспечивающей высокий доверительный уровень оценки мощности % необходимо провести аналогичные исследования при взрывах в Неваде (США).

Как уже отмечалось, интенсивности релаксационных процессов, а следовательно - амплитуда сопутствующих им сейсмических колебаний а, определяется в первую очередь 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 флуктуаций первоначального напряженно- деформированного состояния сре^н, получаем с учетом величины стесненного поворота блоков при взрыве (см. разд. 6.4).

п-т

Q - vb(r&)工Sq) ~ q 3 ,(7.9)

]/3 где 工 ~ (r/q )- длительность положительной фазы движения

в волне сжатия (т > 0).

Поскольку релаксация напряжений осуществляется на неод-

породностях разного пространственного масштаба, а мак@ мальный размер структурного элемента, деформирование Kg рого вносит преимущественный вклад в общую деформацию сред совпадает с размером диссипативной структуры, при 川 смотрении взрывов разного масштаба следует проводит ера： нение не по средней амплитуде афтершоков, которая епр^| ляется большим вкладом событий с малой амплитудой, a R Максимальным значениям наблюдаемой в эксперименту амплитуш а 』тах{а}. На рис. 7.20 приведена величина а , зарета| рированная при ядерных взрывах разной мощности. Обобщаюпи зависимость (сплошная линия на рис. 7.20) может быть 口碣 ставлена в виде

а* * 2,3或$ мкм/с.(7.10

Приведенные на рис. 7.20 результаты демонстрируют возмс^ ность количественной оценки мощности взрыва по результат регистрации остаточных сейсмических проявлений. По раз曜 области необратимых локальных проявлений в среде (7.8): q * 10 ^ф,(7."

где X** выражено в метрах, и по максимальной амплитуде " тершоков (7.10)

д а 0,23*)",(7・М

где а* выражено в мкм/с.

В заключение следует отметить, что разрабатываемая м$ дика может оказаться весьма полезной на всех стадиях i ключения договора о контроле за проведением подземных яд£ ных взрывов. Данные, получаемые при регистрации наведен^ взрывом сейсмической эмиссии, позволяют уточнять коорди蹴 взрыва (мероприятие, необходимое для целенаправленного и# менения высокоточных радиационнометрических методик 足 установлении факта проведения необъявленного ядерного взр ва), а также - оценивать мощность проведенного взрыва, л| при одновременном использовании других сейсмических метс^ может значительно повысить надежность и доверительную | роятность контроля. Параметры расчетных зависимостей (7.| и (7.12) необходимо устанавливать отдельно для каждого | пытательного полигона при проведении контрольных взры|| объявленной мощности.

8. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ ПРИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПОДГОТОВКИ ПОРОДНОГО МАССИВА К ВЫЩЕЛАЧИВАНИЮ

Переход металла в подвижное состояние в процессе подземного выщелачивания происходит в результате химического взаимодействия металлосодержащих рудных минералов с 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. Успешное осуществление процесса выщелачивания в подземных условиях определяется двумя основными факторами: достаточно высокой степенью вскрытия металлосодержащих минералов и возможностью беспрепятственной циркуляции рабочего раствора в подготовленной к выщелачиванию рудной массе* Это определяет основную цель горноподготовительных работ при организации подземного выщелачивания в низкопроницаемых скальных массивах, а именно: достижение требуемого 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 всхрытия металло- сддержащих минералов.

Задачи, стоящие перед геотехнологией, как самостоятельной наукой, не ограничиваются простым использованием достижений в других областях знаний для получения конкретных технологических решений. Создание новых и дальнейшее 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 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 экономически выгодных способов подготовки на основе максимально возможного сокращения объемов горнопроходческих работ. В этом смысле весьма перспективным представляется применение скважинных способов геотехнической подготовки породного м а с -

сива. Подготовка массива с помощью скважинных заряда (бурение скважин осуществляется с земной поверхности) с成j дит к минимуму необходимый объем горных выработок,亚 одновременно влечет за собой значительное сокращение 3Kd плуатационных и других расходов.$

Помимо непосредственного дробления породы важной инж^ нерной задачей является обеспечение воздействия на микр0 поровое пространство, поскольку даже незначительное раскръ| тие микротрещин в процессе подготовки может привести к з$ метному увеличению выхода металла вследствие дополнител^ ного вскрытия металлсодержащих включений, а также облегч^ ния доступа рабочего тела к последним. Воздействие на мик роструктуру подготавливаемой горной породы может проводит^ ся как параллельно со взрывным дроблением массива, так н j помощью специальных методов, например, детонацией жвдксш ВВ в проницаемом пространстве, образовавшемся в результа|| основного взрыва [38].%

” Полнота извлечения полезного компонента при геотехнолЙ гических способах разработки месторождений во многом onpt деляется пространственной однороднсютью 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 порол 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,更 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 нежелательно! миграции химически активного реагента за пределы выщелачм ваемой рудной массы. Указанные мероприятия включают в сей не только применение традиционных способов локализации reQ технологического процесса, таких как предварительное 口已询 крытие открытых трещин (разломов) и создание искусственна противофильтрационных завес, но и разработку специи а л ь я ы х методов подготовки. К послсД ним можно отнести экранировку (создание щелевых экранов) пр подготовке массива с помощью крупномасштабных взрывов, чт наряду с повышением степени и равномерности дробления nog ды в пределах отрабатываемого блока обепечивает локализаци! разрушающего действия взрыва.£

Важной составляющей частью исследований является разЗ ботка расчетных моделей гидродинамических и других проце(у сов, происходяших при выщелачивании в подземных условиях,：

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 предварительных количественных оценок играет большую роль при выборе рациональной и экономически целесообразной схемы геотехналогического 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 осваиваемых месторождений.

Выбор методов подготовки массива к подземному выщелачиванию, а также конкретных способов их реализации определяется задачами, поставленными в соответствии с выбранным направлением исследований. В настоящее время имеется 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, мотут быть использованы прогрессивные технологии с применением крупномасштабных (мощных) взрывов. Возможность использования крупномасштабных взрывов на стадии геотехнической подготовки месторождения с последующим применением скважинной технологии отработки делает горнодобывающее предприятие в принципе безотходным, поосольку 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 крупномасштабного подземного взрыва на стадии подготовки скального массива к выщелачиванию требует проведения всестороннего анализа сопутствующих мощному взрыву процессов и явлений. Положительные с точки зрения геотехналогии факторы крупно-

масштабного взрывного воздействия подробно были проанали* зированы 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 заклкН чается в том, что практически все выделяемые при взрыве радиоактивные продукты задерживаются в горной породе. Под*^ бором глубины заложения заряда в зависимости от мощности^ взрыва и конкретных свойств породного массива можно пре- дотвратить выход радиоактивных продуктов на земную поверх-; ность при проведении взрывов мопщостью до нескольких сот? килотонн [34].

Имеющиеся экспериментальные данные [20] свидетельствуют；

о том, что подавляющее количество радиоактивного материал#^ (до 90%) сосредоточено в полости и крупных трещинах у 嗝 поверхности. С точки зрения биологического воздействия наи* более опасными являются долгоживущие продукты взрыва, та*： кие, как Sr90 Cs137. В связи с тем что основное количество^ указанных изотопов (около 80%) образуется при делении в виден инертных криптона и ксенона, заражение удаленных от полости^ участков массива происходит в результате проникновения га-： зообразного материала в раздробленную породу. Так как п^ риод полураспада Кг и Хе невелик, размер области и интен-：] сивность заражения породы существенным образом определяется^ динамикой утечки продуктов взрыва из полости на заключи/ тельной стадии процесса взрывного воздействия. В этом смысле' установление количественных характеристик процесса выходай продуктов взрыва за пределы камуфлетной полости (а в болес^ 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 полостя осущоствляется через раздробленную породу под действием^ давления, которое устанавливается в полости к моменту фор^ мирования зоны разрушения. На интересующее расстояние (喇 пределы подготавливаемого участка, размеры которого сос-^ тавляют несколько радиусов полости) фильтрует только не》 способная к конденсации часть образовавшегося в очаге взрыва, газообразного материала. Динамика утечки продуктов опреде* ляется начальным парциальным давлением нековденсирующихся^ газов в камуфлетной полости Рн, которое определяется соог-. ношением

Р =нР =нМ &/ —он А ~M~V ♦ п

Р =н

Р =н

где М0H - масса неконденсирующегося газа в полости; RA т

газовая постоянная; М+ и Т - соответственно средняя молекулярная масса и температура газа в полости;匕-объем полости.

Первоначальная масса неконденсиотющегося газа определяется влажностью и другими газообразующими свойствами взрываемой среды. С достаточной для практических оценок точностью можно записать

Л/он u M^qM»,

где Л/в - масса испаренного на единицу энергии взрыва вещества; 7b - общая весовая доля газосбразующих веществ в горной породе; g - мощность взрыва.

Природа газовыделения зависит от физико-химических свойств конкретной горной породы: в породах силикатного типа (гранит, туф, аллювий), содержащих воду в свободном состоянии, нековденсирующийся газ представлен парами воды, в по- родак карбонатного типа (известняки и т.п.) наиболее представительным является углекислый газ, который выделяется в результате термического разложения горной породы. Образование неконденсирующегося газа при взрыве происходит в зонах испарения, расплава и термического разложения. Результаты экспериментальных исследований показывают, что зона газовыделения охватывает при крупномасштабных взрывах в плотных скальных породах массу, равную (2 - 4) • 105 кг на каждую килотонну энергии взрыва. В туфе эта величина составляет (5 ± 1,5) х 1(г кг/кт, в аллювии ■ 7Т05 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 состава. В случае карбонатных пород за температуру газа в полости следует принять температуру разложения таких минералов, как доломит и кальцит (1123 - 1173 К).

Оценим на основании изложенного величину первоначального парциального давления нековденсирующихся газов в полости, под воздействием которого начинается процесс фильтрационной утечки. Результаты оценок представлешл в табл. 8・1. Следует отметить, что расчетные значения Р； находятся в хорошем соответствии с имеющимися расчетными [21] и экспериментальными данными. Так при взрыве ”Райннер” (туф плотностью 2000 кг/м3, п = 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.

Таблица 8.1

Давление газообразных продуктов в полости мощного подземного взрыва

Горная порода

Пв, %

Рн, МПа

Гранит

0,5-1,5

0,5-1

Туф

15

4

Аллювий

10

5

Известняк

30-47

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 见，радиуса зоны повышенной проницаемости начального давления способных к миграции продуктов взрыл Рн. 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 зн1 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 сказанно] будем предполагать, что фильтрация продуктов взрыва в тр щинное пространство начинается с момента достижения каму летной полостью своего конечного размера 丸卜 Справедливое последнего предположения не требует пояснений, поскольку “ точки зрения выхода продуктов в проницаемое пространст зоны разрушения и за ее пределы фильтрационными процесса^ происходящими при самом взрыве, можно пренебречь (имеющие оценки показывают, что утечка газообразных продуктов 】 полости начинается спустя несколько десятков секунд nod взрыва).

Постановка задачи в сферически симметричном случае имё следующий вид. В начальный момент времени Z » 0 из каму летной полости радиуса 及卜 расположенной в проницаен среде, начинается фильтрация газообразных продуктов взрш Нестационарное движение продуктов в среде будем описыва уравнением фильтрации (4.3) и законом сохранения массы т ~^~ = -div(pv$),(8.1：

где р 一 плотность фильтрующихся продуктов; m - пориста средн； % ~ скорость фильтрации.

Уравнение состояния фильтрующегося газа в проницаем каналах и камуфлетной полости примем в виде幣

Р н М・(8：

Считая, что количество образовавшихся при взрыве газов с низкой температурой конденсации со временем не меняется: запишем условие на границе полости:

г н R^dp/dt =・(p%)S"Ki ■ -ЗрУф/Ль где & - площадь поверхности камуфлётной полости.

Преобразовывая уравнения (5.3) и (8.1) с учетом уравнения состояния (S.2), получаем дифференциальное уравнение второго порядка относительно Р:/

崙一命国(尸需)+嶋* <^ - D](8⑶

с граничным условием при г = &:

8尸8尸3%2如411Kl63%2如411Kl6(Gn - 1),(Gn - 1),(8.4)(8.4)

8尸

8尸

3%

2如411Kl6

3%

2如411Kl6

(Gn - 1),

(Gn - 1),

(8.4)

(8.4)

me

6 ■ -sgnv$; GKP) н У1 + ^A^/^k^dP/dr} Gm ■ Gn(P) при г н R.

Легко показать, что рассматриваемый процесс фильтрационной утечки продуктов взрыва полностью описывается системой безразмерных параметров

Г * 〃&； m; S ® Р/Рн； So ■ Ро/Ри；(8 5)

а = ^Аи^/^кгР^ т = kiPi + !^т^

где Ро - начальное давление в проницаемых каналах.

Преобразуя уравнение (8.3) к безразмерному виду на основе (8.5), получаем

需*备х七卜磊)+ —T X需， (8.6)

где G =力 + 4Sf I纭/空

В результате численного интегрирования уравнения (8.6) с соотвзтствующими начальными

т - 0: ^(х,т) - Н при х » 1, при х > 1

и граничными

亍=1:尤 а/8Н= [6mS7(Gni + W^/дх

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, проведенного в настоящей работе. Так значение безразмерного параметра g, описывающего начальное давление продуктов 259

Ряс. &L Влияние начального давления продуктов взрыва на скорость фильтрации S (расчет при m = 4%, x = 7京 丿■ S ■ ОД; 2 - 0,04; 3 - 0,01

расстояниях х：

-12 (расчет г

ных относительных / - 6; 2 - 7,5; 3 m - 4%; S - 0,1)

Рис. 8.3. Физическая скоросп» движения продуктов взрыва в проницаемых каналах：

1Т ・ т • соответственно - 3; 4; 5; 10%

U9J0^m!c

Рис» 8.4. Скорость движения гй образных продуктов при взрыве 1 радов разной мощности в гранитоя добнои среде (т - 5%, относительи расстояние от взрыва 120 м/кт1，］ 1-3 g - соответственнд - 1,0; | 100 кт

взрыва в камуфлетной полости, составляет для пород мале газовости СП» - 1+2%) - 0,1 - 0,2, для пород средней гаэ| вости (ть 3+15%) - 0,03 - 0,05 и для пород высокой га* вости (т)в * *30+40%) - 0,01 - 0,02. Вычисленные значеяй начального давления фильтрующегося газа, связанные с кол| чеством образовавшихся при взрыве неконденсирующихся газ4 а также известные из эксперимента свойства разрушенн« масхива (пористость и проницаемость) позволили установй наиболее характерную для рассматриваемого процесса величия безразмерного параметра а ■ 1,0. J

В результате решения задачи определялись скорости фиЛ трации продуктов взрыва, физические скорости движения 口曜 дуктов в проницаемых каналах “ а также масса газообразщ! продуктов М, профильтровавших за пределы зоны разрушен# Зависимость безразмерной скорости фильтрации

Fl >Fl >jlmRi七1 FhjlmRi七1 Fh

Fl >

Fl >

jlmRi

七1 Fh

jlmRi

七1 Fh

от времени представлена на рис. 8.1 для разных начальных давлении в полости & и на рис. 8.2 для разных относительных расстояний от места проведения взрыва х

На основе проведенных расчетов предоставляется возможность рассмотреть конкретные варианты истечения нековден- сирующихся продуктов взрыва в разрушенную среду для вполне определенных параметров взрыва в фиксированных горно- геологических условиях.

Так на рис. 8・3・ представлено влияние пористости разрушенного породного массива на значение физической скорости движения газообразных продуктов 修 при взрыве заряда эквивалентной мощностью 100 кт (данные приведены для относи- тельнрго расстояния гЦ ■ 90 м/кт1/3).

Наибольший интерес с точки зрения практического применения результатов расчета представляет рассмотрение фильтрации продуктов при взрыве в прочных горных породах, характери- зуюпщхся малой начальной нарушенностью (основное количество месторождений, пригодных к выщелачиванию, расположено в скальных массивах〉. В качестве примера на рис. 8.4 приведены результаты расчета скорости движения газообразных продуктов взрыва зарядов разной мощности в гранитоподобной среде (радиус полости при взрыве составляет 9寸戸 м, ще g - эквивалентная мощность взрыва, кт).

Важной характеристикой геотехнической подготовки горного массива с помощью крупномасштабного взрыва является масса котлового газа, вышедшего за предполагаемый контур разрабатываемого участка месторождения. Объем газа, вышедшего из полости в разрушенную среду на расстоянии г > К* состав

ляет к моменту времени Е величину

VM ■ 4ятЛф J4 u^(R^t)dt..

О

Отсюда легко получить выражение для относительной массы профильтровавшего газа

“.(力3mPq& t

.j "(/?*/)&，.

МокЯ?РИ0

Результаты расчета доли продуктов, профильтровавших в область г > X* при взрыве зарядов разной мощности в массиве, сложенном прочными скальными породами, приведены на рис. 8・5・ Представленные на рис. 8,5. кривые демонстрируют ассимптотический характер зависимости 应фа). При этом слу- дует отметить, что количество продуктов, профильтровавших на расстояния г > Лф составляет небольшую часть от их общего количества M0Ki образовавшегося при взрыве.

智，%智，%Рис. 8Л. Относшельнак масса газообрви ных продуггов, профильтровавпшх ^на р*^Рис. 8Л. Относшельнак масса газообрви ных продуггов, профильтровавпшх ^на р*^%/%И/% 硏%/%И/% 硏

智，%

智，%

Рис. 8Л. Относшельнак масса газообрви ных продуггов, профильтровавпшх ^на р*^

Рис. 8Л. Относшельнак масса газообрви ных продуггов, профильтровавпшх ^на р*^

%/%И/% 硏

%/%И/% 硏

Рис. && Относительное количество газо^ образных продужк» взрыва, профи^шм^ вших на расстояния, превышающие 云 1 - расчет для подземного взрыва ностью 2 кт; 2, 5 - расчет для сре; постоянной пористостью (т, в %: 2 3 ・ 2; 4 - 4; 5 - 6)

Необходимым параметром с точки зрения установления тр зон» радиационной безопасности при геотехнической подгси 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 соотношу между безразмерными параметрами хт =及丿耳 и в виде хт = V[l - (1 - m)Co]/(mO.

Проницаемое пространство горного массива в области х d представляет собой некоторый резервуар, аккумулирую! продукты взрыва при их расширении. Конкретное предел расстояние R* определяется общим количеством проду (размером полости н давлением) и пустотностью (пористое разрушенного массива. Эти же параметры определяют сумма 262

Таблица 8.2

Радиус зоны активности породы при подземных взрывах

Эксперимент

Эквивалентная мощность взрыва, кт

м/кт1/3

Бланка

19

14,6

100

Логан

5

15,2

140

Рейниер

1,7

15,9

50

количество неконденсирующегося газообразного материала AG, которое к моменту окончания фильтрационного процесса на- ходите^ в сферическом слое с внешним радиусом хт и внутренним -х. В качестве иллюстрации на рис. 8,6 представлен вид зависимости М2(х)/Мои, рассчитанный для конкретных условий взрыва в скальном горном массиве.

Следует отметить, что расчет выхода газообразных продуктов в разрушенную при взрыве среду проводился в настоящей работе без учета диффузионных и теплообменных процессов. По этой причине полученные численные значения параметров утечки необходимо рассматривать в качестве их верхней оценки. Как показывают оценки учет, например, теплообмена при фильтрации газообразного материала не сильно меняет полученные в настоящей работе зависимости. Последнее объясняется достаточно высоким и равномерным прогревом разрушенной среды в значительной по объему зоне подземного взрыва.

Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что основное количество радиоактивного материала сосредоточено в небольшой по объему области, прилегающей к камуфлетной полости. В частности, в табл, 8.2. представлены радиусы зоны активнехгги R^ полученные экспериментально при исследовании буровых скважин, расположенных в ближней зоне некоторых подземных ядерных взрывов [20]. Для сравнения там же приведены относительные расстояния rb/на которых наблюдалось обрушение подземных выработок* Видно, что размер активной зоны в среднем почти на порядок меньше размера зоны наблюдаемых разрушений.

Анализ, проведенный в настоящей работе, свидетельствует о том, что опасность утечки радиоактивных продуктов в трещинное пространство разрушенной среды не может служить препятствием для использования крупномасштабного подземного взрыва в геотехнологии. Однако следует иметь в виду, что приведенные расчеты предполагали сферически симметричное движение продуктов взрыва в проницаемом пространстве. Последнее имеет место при отсутствии в подготавливаемом горном массиве ярко выраженных тектонических разломов и

крутйкх трещин. Наличие каналов преимущественной фильтрации

существенно может сказаться на времени выхода и количестм газообразных продуктов, проникающих за пределы подготац ливаемого участка* В этом случае выбор конкретного вариан^ подготовки должен определяться с учетом комплекса ме调, приятий по обеспечению радиационной безопасности.

&3・ ОСОБЕННОСТИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ

Одним из основных вопросов, определяющих возможност! широкого применения крупномасштабных подземных взрывов | народом хозяйстве, является обеспечение целостности разнога рода сооружений, расположенных в зоне сейсмовзрывного воз| действия. Наличие в окрестности взрыва населенных пунктов ■ инженерных сооружений приводит к необходимости проведен^ тщательной оценки сейсмического эффекта применительно f конкретным условиям»:

Любой взрыв, произведенный под землей, в воде или атмй сфере возбуждает в земле упругие колебания. Поэтому взрыв减 так же как и землетрясения, следует рассматривать как сейф мические события. Ежегодно на земном шаре регист血рукм电 сотни тысяч естественных землетрясений. Из них около 10М землетрясений соответствуют по сейсмическим сигналам взрыв碱 эквивалентной мощностью свыше 10 кт и около 10 000 земл^ трясений - взрывам с эквивалентной мощностью порядка 1 足 По данным работы [57] сейсмическая энергия, выделяемая год всеми землетрясениями в виде упругих волн, составляв примерно 101в Дж, что в единицах энергии взрыва составляем около 103 Мт.孑

Сейсмические события, связанные с проведением взрнвн同 работ, вполне сравнимы с естественными землетрясениями, кгц| по интенсивности колебаний в случае проведения ядерны} взрывов, так и по количеству событий за год при проведенш промышленных взрывов. Действительно, начиная с 1961 г. 登 годно проводится от 30 до 60 ядерных взрывов эквивалентно^ мощностью от 1 до 150 кт каждый, а до 1975 г. эквивалентна* мощность отдельных взрывов достигала иногда несколькщ[ мегатонн. Колебания земли, вызываемые такими взрывами| эквивалентны по своей интенсивности колебаниям от землей трясений с сейсмической магнитудой в диапазоне М = 3+方 Полная энергия, освобождаемая при проведении ядерных взрыво| за； год» характеризуется величиной около 10 Мт. Большой обье^, взрывных работ реализуется также в горном деле и на строи； тельстве 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 веляь чины суммарной энергии ядерных взрывов за год. Основно! объем взрывных работ в промышленности проводится скважинным;

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 m = НЗ.

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. 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 10м Дж упругой энергии, что на четыре порядка меньше, чем сейсмическая энергия колебаний земли при землетрясениях.

Исследования колебаний грунта при взрывах занимают заметное место в сейсмологии. Сейсмические эффекты необходимо учитывать при обеспечении безопасности проведения 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 используется для изучения строения Земли, для разведки полезных ископаемых, для отработки приемов сейсмостойкого строительства. Сейсмические колебания грунта могут обеспечить

контроль над проведением подземных ядерных испытаний. В результате развития исследований по этим направлениям 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 промышленности возникла проблема разрушительного действия сейсмовзрывных волн. Ее решение связано с трудами академика М.А. Садовского, в которых на основании анализа экспериментальных данных о разрушениях зданий и сооружений под действием колебаний при промышленных взрывах было установлено, что интенсивность разрушений определяется массовой скоростью движения грунта в сейсмической волне. Для массовой скорости была получена зависимость от массы зарвда и расстояния, а также установлено, что критическая скорость колебаний, свыше которой появляются признаки повреждения зданий типа трещин в кирпичной кладке и штукатурке, составляет 10-20 см/с. Эти результаты М.А. Садовского были подтверждены последующей практикой взрывных работ и использованы при разработке приемов расчета сейсмически безопасных расстояний при проведении промышленных взрывов.

Второй этап развития сейсмологии взрывов относится к 60-70 гг., коща возникла проблема обеспечения сейсми-

ческой безопасности при проведении подземных ядерных взр»| вов, в том числе и при использовании их в мирных целях. Дл^ решения этой проблемы в нашей стране и за рубежом был п侬 веден большой объем инструментальных наблюдений, особенно f ближней области взрыва, где сейсмические колебания нося* разрушительный характер. В результате были установлены 幢 новные закономерности распространения сейсмических волн н| различных расстояниях от места взрыва. Существенным достй жениАсс этого этапа явилась разработка новых методик про! позирования параметров сейсмического действия мощных взр@ вов, которые включали также статистический подход к оцев^ степени повреждений различного типа сооружений [57]. 1

Третий этап развития сейсмологии взрывов начался j конце 70-х гг・ и связан с появившейся необходимостью коК роля за проведением подземных ядерных испытаний. Следовал убедительно доказать технические возможности такого контрод сейсмологическими средствами и повысить его иувствител# ность. Проблема контроля включает две основные задач! обнаружение сигналов от взрыва и их идентификация по отш| шению к землетрясениям. С целью решения этой проблемы в ми@ были размещены многочисленные сейсмические станции, обр1 зовавшие межнациональные сейсмологические сети.

Станции были оборудованы короткопериодными и длинен периодными сейсмографами, которые располагались на болыше площадях группами в виде треугольников, крестов, различно! рода многогранников для улучшения отношения полезного 通 нала к естественному сейсмическому шуму и для установлен^ координат источника колебаний. В настоящее время общепр| знака возможность регистрации и распознавания сейсмической сигнала от подземного ядерного взрыва эквивалентной мз| ностью не менее 1 кт. Оснащение сейсмологических сетей ж вой аппаратурой и их автоматизация интенсивно продолжают^ Разрабатывается единая международная сеть сейсмическо| контроля. Решение проблемы обнаружения ядерных испытан^ сейсмическими средствами потребовало разработки единого nq хода к изучению сейсмического действия взрывов и 3cmj| трясений) что привело к тождественности методологий изучен этих сейсмических событий и существенно сблизило сейсмолог^ и сейсмику взрывов. $

Рассмотрим особенности сейсмических колебаний грунта iqj подземных взрывах. При взрывах, так же как и при зек^етш сепиях, несмотря на различную природу очага и механик выделения энергии, волновая картина колебаний грунта об| словлена возникновением и распространением четырех тип^ волн: продольных и поперечных волн объемного типа и длин国 периодных поверхностных волн Релея и Лява. Объемные валд| распространяются через внутренние слои Земли, волны Релея ? Лява только в поверхностных слоях» Волна Релея наибси# четко выделяется на радиальной и вертикальной компонент"

Зона

Рис* &7. Схема распространения некоторых фаз сейсмовзрывных волн по земному шару

записи, волна Лява - на мангенциальной. Котда колебания от мощного сейсмического источника охватывают весь земной шар, картина колебаний как от подземного взрыва, так и от 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 разлиф<нх фаз > сейсмических колебаний.

Однако в общей сложной картине волнового движения 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 распространения некоторых фаз продольных волн показана на рис. 8.7 и выделены следующие области:

Ближайшая к источнику область интенсивных колебаний, которая образована сейсмическими волнами, прошедшими по земной коре и .через верхнюю мантию. В этой области сейсмические сигналы от крупных взрывов уверенно регистрируются вплоть до расстояний, ограниченных телесным углом Л - 10 (примерно, 103 км).°

В диапазоне угловых расстояний А ■ 10+25 отмечается первая зона тени, образовавшаяся по причине отклонения более глубоких траекторий вниз в сторону высокоскорсхггных слоев. В этой области сейсмические сигналы неустойчивы и имеют небольшие амплитуды,о

Телесейсмическая область в диапазоне А « 25+100 об-

разована траектория сейсмических лучей, прошедших ч^м глубокие слои мантии. В этой области прием сейсмичеаЗ сигналов ведется устойчиво, амплитуды сигналов выше, че»о предыдущей зоне, и слабо чувствительны к слоям с понижен» ми скоростями. © 胃

4・ В диапазоне расстояний А = 110+140 вновь наступ» область сейсмической тени. Амплитуда сигналов резко умея шается, и они слабо выделяются на фоне сейсмического шук^

Такое выделение зон на поверхности Земли с различным уровнями сейсмических колебаний представляется важным 詞 решения задач контроля за подземными взрывами, распознавап| сейсмических сигналов от взрывов и землетрясений, а та司 для повышения чувствительности этого метода. Из въщелеюш зон наибольшее внимание в сейсмологии взрывов уделяет области, ближайшей к очагу взрыва. Сейсмические колебанию этой области представляют реальную опасность для инженерии деятельности. В зависимости от характера колебаний грунта^ основных типов волн, определяющих сейсмическое воздейстц на здания и сооружения, внутри этой области в свою оне询 целесообразно выделить следующие зоны: *

L Центральная зона вокруг очага вэрьи| которая включает движение грунта до выхода волны на дневн^

поверхность. |

Эпицентральная зона, которая связ# с откольными эффектами и характеризуется преимуществен вертикальным движением грунта в радиусе 3-5 глубин заложен! заряда. 扌

Б л и ж н я я зона размером до 10-15 км, котор| определяется доминирующим действием прямых объемных вш| распространяющихся в осадочном чехле скальных пород нёв| средственно из очага взрыва.

Средняя зона, которая охватывает интерш расстояний от 10-15 до 80-100 км, где доминирующими I интенсивности колебаний являются о^емные волны, пришедш! из кристаллического фундамента, расположенного поверх кор вого волновода Конрада.

5» Дальняя зона, которая простирается свыше & 100 км и определяется появлением закритически отраженнв объемных волн от границы Мохоровичича. ?

По каждой зоне в настоящее время получен обширный эксп^ риментальный материал, на основе которого проведен аналп волн8Hx полей, выявлены основные группы волн, установл^| их связь с геологическим строением участков проведей! взрывов и построены эмпирические зависимости основных пар| метров колебаний грунта от расстояния и мощности взрый Характер колебаний грунта в выделенных зонах представлен g рис. 8.8. В центральной зоне движение груй| определяется волной сжатия, которая характеризуется веш чиной максимальной массовой скорости, временем ее нарастанц

Рис 8.8. Характерные эпюры колебаний грунта в ближней области подземного взрыва:

а - центральная зона; б - эпицентральная зона; в - ближняя зона, f ГА? км； z - средняя зона, 40 < 2? < 100 км; ^ - дальняя зона.

и действием фазы сжатия. В прочных скальных породах на эпюре массовой скорости выделяется фаза отрицательной скорости (а), что свидетельствует о наличии возвратного движения. В разрушенных породах и уплотняемых “унтах фаза отрицательной скорости отсутствует (®. Пунктиром на рис. 8.8, J показана эпюра смещения. В эпицентральной зоне на эпюрах движения появляются характерные признаки отколь- ных явлений (рис. 8・8, 2). После быстрого нарастания скорости движения до максимума наблюдается участок свободного падения откольного слоя в поле тяжести. На эпюре четко 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 содержит несколько колебательных гармоник при наличии слоя мягких пород. В ближней зоне состав волнового пуга состоит из прямой продольной волны р и поверхностной волны R (рис. 8,8, 3)・ Продольная волна распространяется в осадочном чехле скальных пород мощностью 2-7 км с кажущейся скоростью 3-5 км/с. Длиннопериодная поверхностная волна начинает прослеживаться с расстояний более 0,5*1 км/кт1^ и распространяет-

ся со скоростью 2,9-3,1 км/с. При неглубоких взрывш (Я/^ < 100+150 м/кт1/3) и взрывах на выброс этой зап выделяется длиннопериодная объемная волна продольного тк^Я которая следует примерно через 0,15 с за волной р.词

В средней зоне в первых вступлениях сейсм^ ческих колебаний начинает выделяться новая волна продольном типа &・ Эта волна интерпретируется как головная или ре^ рагированная вдоль кровли гранит-базальтового слоя, ра(Я положенного на глубине 5-20 км. Сейсмограмма осложнена такп несколькими знакопеременными фазами прямой волны, распрм ограняющейся в осадочном чехле, и цугом обменных волн. Я этой зоне начинают прослеживаться также соответствующие фазш поперечных волн. Усложняется цуг колебаний длиннопериоднга поверхностных волн. В результате общее время колебаний^ сейсмвгаеской волне возрастает.1

Дальняя зона начинается с появления в картиш колебаний на свободной поверхности новой группы обьемнш волн, отраженных от границы раздела земной коры и магн砌 (граница Мохо), которая расположена в основном на г 35-40 км. Такие отраженные от границы земной коры продольны^ и поперечные волны обозначаются в сейсмологии индексами р$ 'и $м£ (рис. 8.8, 5). Амплитуда и скорости колебаний в and волнах существенно превосходят параметры колебаний, иа&по^ давшиеся до их появления.:

Из рассмотренных эпюр колебаний грунта видно, как излу( ченная источником взрыва простая волна сжатия по мере рас^ 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 непосредственнуМ! информацию об источнике колебаний, о времени его формиро* вания 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 сиг| нала об источнике колебаний снижается и возрастает инфор| мация о геологическом строении региона и геофизических осо^ бенностях трассы распространения. По появлению на записи тех или иных групп волн можно определить глубину расположенш! различных слоев, а по затуханию амплитуд и изменению спект| ральцого состава сигнала оценить поглощающие свойства пород на разной глубине. Остановимся подробнее на некоторых па賦 метрах колебаний грунта, наиболее существенных в отношения сейсмического действия подземных взрывов в каждой из выд& ленных зон.

В центральной зоне происходит формирование сейсмической источника излучения волн. С этой точки зрения основным^ 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, пропорционального энергии взрыва, за пределы зоны разрушения в область упругих деформаций. Размеры 丨 полости гп и зоны неупругого деформирования К* определяются мощностью взрыва q и зависят от свойств среды, в частности, ее сжимаемости и прочности следующим образом [35]:

0,61〃з/ рс：、

А» ■;—,К* =匚 гп,(8.7)

(pc^l)1/9〔 4(Г* 丿

где р- и сл - плотность и скорость звука в среде, сг* - 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 rj寸戶 = 8+12 м/кт1/3и 丸* = (4+6)厶,в слабых породах типа пористого туфа и аллювия 小/寸戶 工 13子 +17 м/кт】"и К* н (5 + 8)гп. Указанные зоны необратимых деформаций взрыва (полость и зона разрушения) в конечном итоге и определяют основные параметры излучаемой сейсмовзрывной волны. Значение остаточных смещений, зарегистрированных вне зоны неупругого деформирования (см. рис. 8.8, J), хорошо коррелирует с конечным размером полости, что свидетельствует об образовании ее за счет 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 деформирования Т « 2/?*/Ср・ Поэтому зону неупругого деформирования рассматривают в качестве сейсмического источника при подземном взрыве. По зависимости смещения во времени на 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 источников колебаний, и в первом приближении может быть 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

с этим быстрому нарушению симметрии движения при формирс^ вании источника возникает поперечная волна или волна сдвига (волна s), колебания в которой в отличие от продольной волф ны не связаны с изменением объема. В результате источнкц излучения типа ^центра расшнрення" возбуждает внутри реал^ ной среды объемные волны продольного и поперечного типй| Однако основную долю сейсмической энергии в ближней зовй несет продольная волна, играющая главную роль в сейсмологш ^взрыва.Y

Известны многочисленные результаты измерений параметре^ волны- сжатия в породах различного типа [1, 36]. Измерений показали, что при заданных свойствах среды для основны параметров волны сжатия в центральной зоне взрыва внио^

няются условия геометрического массовой скорости (м/с)

подобия. Так, зависим

r/寸戸 до центра взрыва

以掰 от приведенного расстояния г 娥 имеет вид:

4 н 九 в формуле (8$ ДЛЯ4 н 九 в формуле (8$ ДЛЯ(8嶋 некотсй энерхч|(8嶋 некотсй энерхч|

4 н 九 в формуле (8$ ДЛЯ

4 н 九 в формуле (8$ ДЛЯ

(8嶋 некотсй энерхч|

(8嶋 некотсй энерхч|

% = А/”

Значения коэффициента

рых типов породы приведены ниже. Здесь и далее взрыва в килотоннах, расстояние в километрах.

Порода .... Соль Гранит

Л п

.• 0,25

Туф плотный Сланец Туф пористый …•17.10-з

2,87

0Л6 1,6

5,5 ТО"

2,0

Аллюви|

3,8 • 10 飞

3,2 Т

на рис. 8.9. Диапазон раана рис. 8.9. Диапазон раачто массовая скочто массовая скоЗависимости (8 8 показаны стояний, в которых проведены измерения массовой скоростям составил 0,037 < 1 км/кт1/3. Видно,

на рис. 8.9. Диапазон раа

на рис. 8.9. Диапазон раа

что массовая ско

что массовая ско

рость и ее затухание существенно зависят от свойств породу Так в аллювии она примерно на порядок ниже, чем в гранит^ при прочих равных условиях. С другой стороны, при взрывах | прочных и плотных горных породах зависимости (8 您 близ>^ (например, гранит, соль) и массовая скорость является у@ тойчивым параметром. В этих породах время действия фа砌 сжатия а и нарастания массовой скорости до максимума i вне области неупругого деформирования составляют tj^ #

волне сжатий (89)? исследован^ диссипируетволне сжатий (89)? исследован^ диссипирует20<40 мс/кт力 и tjq申=兑!5 мс/кт^・ В слабых i трещиноватых породах значения /+ й tK могут быть в 2-3 раз! больше. Используя зависимость (8.8) можно оценить макей

волне сжатий (89)? исследован^ диссипирует

волне сжатий (89)? исследован^ диссипирует

мальные смещения W^ и средние ускорения % в

W = 〃 乙/2; а = 〃 〃.'

m m + ， ср tn н

области неупругого деформирования. Так на момент останов^области неупругого деформирования. Так на момент останов^Результаты расчетов и экспериментальные показали, что подавляющая часть энергии взрыва

области неупругого деформирования. Так на момент останов^

области неупругого деформирования. Так на момент останов^

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 < Лф в среде диссипирует 90-95% энергии взрыва и только 5-10% энергии оказывается в зоне упругах деформаций в основном в виде упругого сжатия среды. Некоторая часть этой энергии расходуется на образование сейсмических колебаний, которые постепенно затухают в результате геометрического расхождения, поглощения и рассеяния. По результатам обработки телесейсмических сигналов установлено, что энергия сейсмических волн Ес зависит ставным образом от свойств породы в очаге взрыва, и ее относительное значение приведено ниже.

Доля сейсмической энергии при взрыве

Порода , Соль г Гранит Туф Аллювий Сух. аллювий &7% % . .0,8-3 1-2 0,3-1 0,15-0,2 '0,05-0,09

Приведенные данные коррелируют с результатами измерений максимальной массовой скорости в том смысле, что чем 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 Взр 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 высвобо: дения тектонических напряжений.

Процесс релаксации тектонических напряжений в окружающ! взры» породном массиве продолжается и после его проведен! При некоторых мощных подземных взрывах были зарегистрирова! сотни и тысячи послевзрывных сейсмических толчке афтершоков, интенсивность которых иногда приближалась интенсивности самого взрыва [76] • Важно подчеркнуть, q радиус зоны этих афтершоков значительно превышал размер зо1 неупругого деформирования от взрыва и достигал знамен 0,Э"2 км/кт1^3. Была установлена также заметная роль с кольного движения в образовании поверхностных волн релес ского типа. Что касается других источников сейсмическ волн, таких как образование столба обрушения и релаксац упругих напряжений, наведенных взрывом, то, как показыв? опыт излучаемые ими колебания заметно уступают по интс сивности продольным волнам, образованным волной сжатия^ 号

Из обсуждения волновых процессов в центральной Н взрыва следуетэ что привлекая соотношения теории упругое для описания поведения среды вне зоны разрушения удаето достаточной для практики точностью установить особенностям параметры сейсмовзрывного воздействия. Однако необход^ помнить, что такое приближение является в известной условным, поскольку и за пределами зоны разрушения, при*| на весьма значительных расстояниях от взрнва, наблюдай)； эффекты, которые по существу являются необратимыми. ?

афтер]большафтер]большК таким эффектам следует отнести ярко выраженные точные смещения в волне сжатия (см. рис. 8.8)/), генера#

афтер]больш

афтер]больш

шоков и изменение фильтрационных свойств массива их расстояниях от взрыва, падение жесткости и добр

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 несщ родностью структуры реальных массивов и присутствием в J тектонических разломов, систем трещин, переслаивают^ пачек пород различного типа и других зон ослабления, кот^

в своей совокупности придают массиву блочно-иерархическое строение. Поэтому естественно представить, что деформирование среды вне зоны разрушения осуществляется преимущественно по поверхностям и зонам ослабления, т.е. диссипативные процессы реализуются в заполнителе промежутков между 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 значения, получаемого на основе упругого решения. Причем 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, устойчивости горных склонов и бортов карьеров, изменения 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 поверхности. Размер эпицентральной зоны обычно связывают с радиусом области откольных явлений. Наибольший размер откольной области наблюдается при неглубоких камуфлетных взрывах, у которых H[QR s 0/0 + 0,2 км/кт也 При взрывах на такой глубине происходит сравнительно резкий подъем свободной поверхности и отрыв поверхностного слоя от основного массива. Глубина откольного слоя определяется интенсивностью воздействия и длиной волны сжатия» Наибольшая глубина откола не превышает половину длины волны 6 W с^+/2. В горизонтальном направлений выделяется радиус интенсивного откола Л * (0,25-ь0,35) км/кт1^, в пределах которого отрыв от- кольного слоя происходит как в однородном массиве, и радиус откола, происходящего по естественным неоднородностям массива (слои, трещины, блоки), который составляет R = км/кт1/3.

Определяющее сейсмическое воздействие в эпицентральной зоне оказывает вертикальная компонента движения» Максимальная скорость, этого движения зависит от приведенной глубины взрыва Н = Я/^ и геологического строения массива. При взрыве в породах скального типа, массив которых выходит непосредственно на земную поверхность, вертикальная композита скорости в эпицентре равна удвоенному значению максимальной массовой скорости и ее можно оценить при помощи Формулы (8.8)

ииz н 2ЛЛ5M.(8・1,

и

и

При взрыве в мягких грунтах типа аллювия удвоения 父 рости движения поверхности не происходит. При камуфлетн, взрывах в скальном массиве, прикрытом слоем мягкого гр网 значительной толщины (порядка 10-102 м), скорость подъемам эпицентре (см/с) соответствует зависимостиj

к% - 25/Я17(8・l j

и при увеличении эпицентрального расстояния R вертикалъй компонента скорости будет уменьшаться (при типичной глубм камуфлетного взрыва Н ■ 0,1+0,15 км/кт1/э):

uz - 12/Яг при 0,1《К W 0,3 км/кт1/3,I

% ■ 20/П* при 0,3《П《1 км/кт1/3>С

Характерной особенностью движения поверхности грунта； эпицентральной зоне камуфлетного взрыва в такой слоиа среде является заметно меньшая по сравнению с вертикальк компонентой горизонтальная ссютавляющая движения. В об呻 京 < 0,3 км/кт^ такое различие может достигать 5-10 р| при увеличении расстояния от эпицентра это различие пос| пенно исчезает и при Л » 1 km/kN* “％ * u<

По зависимостям (8.10)-(8.12) легко оценить время и d соту подъема свободной поверхности

£ ■ 2〃丿阳 Л ■ 〃：/(2g)・

В связи с относительно небольшим размером эпицентралы) зоны, а также недопустимого для зданий и сооружений с0 мического воздействия эта зона практического интереса } представляет и в дальнейшем она может иметь значение толя для взрывов на большой приведенной глубине.

В ближней зоне, размером от 1 км/кт1/э и до 10-15 胃 максимальные скорости колебаний связаны, как правило” продольной волной р, которая регистрируется в этой зоне * прямая волна сжатия. На записях смещения соизмерима с ней к концу зоны становится выше амплитуда поверхностной воп релеевского типа К, которая начинает прослеживаться с 〃 веденного расстояния 0,5-1 км/кт1/3. Наибольшие амплита колебаний как в волне р, так и в волне R отмечаются в пм зонтальном и вертикальном направлениях. Постепенно из! неоднородного строения среды начинают становиться заметшл тангенциальные компоненты колебаний. Кинематические хам теристики различных фаз колебаний в сейсмической вблне J висят от особенностей геологического строения и физи! механических свойств пород, слагающих массив в данном | гионе. Основное внимание в отношении сейсмического воздеи

Рис. 8.10. Зависимость максимальной горизонтальной скорости колебаний в продольных волнах от расстояния

вия отводится горизонтальным, компонентам скорости. Наблюдения показали, что в этой зоне основные параметры 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 штольневых взрывов в хранитах и скважинных взрывов в песчаниках и соли для горизонтальной компоненты волны 尸 предложена зависимость (В.Н. Родионов, В・Н. Костюченко, 1974)

% - 12/Л1,75 при R < 10+15 км. (8ДЗ)

В других геологических условиях, хде горные массивы представлены сланцами и кварцито-песчаниками по данным штольневых взрывов для горизонтальной компоненты волны р установлена зависимость

и ■ 5,7/五з при К < 10+15 км. (8.14)

Зависимости (8.11) и (8.12) получены при установке при* боров на выходах скальных пород и показаны на рис. 8.10 линиями 1 и 2 соответственно. При измерениях на слое мягких пород толщиной порядка Юми более скорость колебаний примерно вдвое выше» чем на выходах скальных пород (пунктир на рис. 8ДО).

Для оценок горизонтальной компоненты скорости колебаний в поверхностной волне R обычно испольэуют известную формулу % - 10/耳s.(8.15)

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

мических волнахмических волнахРис. 8.11. Влияние глубины взрыва! скорость колебаний в продольных ста

мических волнах

мических волнах

взрыва на значительной глубине (Я > 0,2 км/кт。)вер| кальная компонента колебаний в волне р становится горизонтальной и составляет “卩^ ” (1,5^2) и^ Поверхносп волна в этом случае практически не выделяется.：|

Временные параметры колебаний в волнах р и R очень од зависят от мощности взрыва (Т -严 и TD * 或纟).Не皆 колебаний в волне р изменяется примерно от 0,05-0,1 cd 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 缴 зоне период колебаний в поверхностной волне в 3-5 раз в碱 чем в продольной волне. Общая продолжительность всего Ц колебаний в сейсмической волне возрастает от 1-2 с [ расстоянии 1 км/кт1/3 до 4-5 с на расстоянии 10-15 км. 工

Анализ сейсмических колебаний в ближней зоне показал, в присутствии свободной поверхности взрыв становится бш сложным источником излучения волн и не может быть предел лен только в виде "центра расширенияп. Очевидно, что | интерпретации колебаний в поперечных и поверхностных вол^ необходим подбор самостоятельных источников излучения 月 того типа, один из которых формирует поперечные вага другой - поверхностные.*

По результатам измерений параметров сейсмических волй ближней зоне взрыва, где еще справедлив закон энергей ческого подобия в его геометрической форме, был исследоа вопрос сейсмической отдачи при снижении приведенной ны взрыва и, в частности, при взрывах на выброс, у кото| Я < 0,04*0,06 км/кт1/3. На рис* 8.11 показано отношЯ максимальных скоростей смещения в продольной волне на @ наковом приведенном расстоянии от эпицентра в зависимости приведенной глубины взрыва. Этот результат был получен! материалам регистрации сейсмических волн в широком диапая расстояний и примерно одинаковых геологических условиях. Я наземном взрыве скорость смещения снижается в 10 раз, j взрывах на выброс в 2-3 раза, и **сейсмическое наешце寸 наступает на глубине взрыва Н > 0,1 км/кт】^.|

В средней зоне, на расстояниях свыше 10-15 км и прима до 80-100 км, доминирующими становятся амплитуды голоЯ

продольных волн, пришедших из гранит-базальтового слоя. По- прежнему выделяются амплитуды колебаний в группе низкочастотных поверхностных волн (см. рис. 8.8, 6. 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 высокочастотном диапазоне с периодом ( - 0,1+0,5 с. Опыт по- казывает, что интенсивность колебаний в средней зоне 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 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 ■ В《Н.(8Л6)

По материалам зарубежных и отечественных исследований для максимальных значении горизонтальной и вертикальной компонент скорости колебаний в группе продольных волн средней зоны можно рекомендовать зависимости

и ■ 15 严К*5»

J： - 35严R&817)

Зависимости и от эпицентрального расстояния для двух рх

значений энергии взрыва 1 кт и 100 кт показана на рис. 8.10 соответственно линиями 3 н 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 ирх на рис. 8Л0 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 a L5VK и W 图 . Период колебаний в продольных волнах 牙卩 близок к периоду волны в безграничном массиве Т^. Высокочастотные колебания в продельных волнах затухают сильнее, чем в низкочастотных поверхностных волнах* Следо-

вательно, по мере удаления от взрыва должен наступит^ момент, кшда максимальные амплитуды колебаний в сейсми^ ческой волне должны наблюдаться в группе поверхностных bozw Действительно, опыт показывает, что если в ближней зощ| максимальные амплитуды наблюдались в основном в груш» продольных волн, то в средней зоне они соответствуют груш» поверхностных волн.

А>ртлитуда поверхностной волны определяется параметрам^ сигнала на границе упругой зоны и глубиной заложения зарщ^ В частности, при глубоких взрывах (Я > 0,2 км/кт” поверхностная волна обнаруживается на записи с расстояний свыше 10-20 км. Скорость распространения поверхностной валн)й в средней зоне возрастает до ЗД-3,2 км/с. Соотношений периодов поверхностных и продольных трупп волн на запга| обычно составляет % « (2+4) 7^ и наиболее характерная 崛 личина TR - 1+2 с Максимальная амплитуда смещения в грушш поверхностных волн для горизонтальной и вертикальной кож понент в диапазоне расстояний 30-300 км соответствует иж вестной формуле: У Wx z ■ %产戸, (8・18$

me 6- коэффициент, зависящий от условий регистрации.

В указанном диапазоне расстояний отмечается существенна^ зависимость амплитудных и временных параметров колебани1 грунта от общего геологического строения региона, сейсмш ческих свойств трассы и условий регистрации. Влияние трасо| и условий регистрации приводят к значительному расхождения параметров сейсмических волн на различных профилях вплоть ж разброса амплитуд 50*100%. Однако отмеченная зависимосп сейсмических колебании от геологических условий обеспечивав большую стабильность параметров волн на этих расстояниях п сравнению с ближней зоной, где преимущественное влияние ш картину колебаний оказывают конкретные условия и свойсти пород в очаге взрыва. Поэтому удается успешно использовая соответствующую формулу (8Д8) для оценок мощности подземШМ взрывов по максимальным амплитудам смещения в поверхности^ волне на калиброванных трассах. Этот экспериментальный фак может быть также использован для разработки системы контрол за энергетическими параметрами подземных ядерных взрывов. 1

В дальней зоне, простирающейся на расстояния свыше 吋 -120 км, доминирующими амплитудами в группе объемных ваш становятся волны, отраженные от границы Мохоровичича (волв| р/ н s^). Расстояние, на котором появляются эти волны, 1 их интенсивность тесно связаны с особенностями скоростная разреза земной коры и характером границы Мохоровичича, тЛ ее выдержанностью, перепадом скоростей, наличием переходнсм слоя и т.д. Экспериментальные наблюдения при подземн^|

ядерных взрывах показывают в некоторых случаях увеличение амплитуды смещения на порядок и более и скорости смещения в 2-3 раза» Поэтому прогностические зависимости для максимальной скорости колебаний в продольных волнах имеют максимум в диапазоне расстояний 100-150 км (см. рис. 8.10, кривая 4 для 1 кт, кривая 4* дая 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 150^300 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 расстоянием, как и для ближней зоны:

(1竺3

По данным подземных взрывов в Неваде для максимальной скорости смещения в объемных волнах р# н s^ установлен закон затухания: , - (1/Л)1*5-1,6 и максимум спектра 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 сейсмических волн с энергией взрыва и расстоянием не 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 целесообразно применять соотношение , ~ 或которое и было использовано при определении горизонтальной компоненты скорости колебаний на рис. 8.10.

Важной характеристикой при оценке сейсмического воздействия является общая продолжительность колебаний в сейсмической волне. По мере увеличения расстояния продолжительность всего Цуга колебаний постоянно возрастает из-за 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 также дополнительных поверхностных волн, возникающих внутри осадочного чехла. На рис. 8.12 приведена зависимость общей продолжительности колебаний в сейсмической волне от эпицентрального расстояния, построенная по результатам наблюдений при взрывах мощностью около 100 кт и 1000 кт. Регистрация сейсмических волн проводилась акселеро-

Рис. 8.12. Общая продолжительность колебаний (/) м длигтельностъ колебаний в группе объемных волн ⑵ при мощных подземных взрывах

метрами, и продолжительность цуга ограничена амплитудой колебаний, равной 0,01g, гце g ・ ускорение свободного падения. Видно, что продолжительность колебаний в сейсмической волне практически прямо пропорциональна расстоянию до эпицентра взрыва и, начиная примерно с К > 10 км, соответствует эмпирической формуле:

Г - 0,8&・ (8.19)

Для сравнения на рис. 8.12 показана также ориентировочная длительность колебаний в объемных волнах, которая зависит от расстояния при R > 1Q км, как

f ■ 0,2Л. (8.20)

При использовании формул (8.19) и (8.20) следует 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 увеличивает продолжительность колебаний почти вдвое по 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 собственными периодами колебаний. Период собственных колебаний одноэтажных домов в зависимости от использования при 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 ссютава и длительности сейсмических колебаний.

加

До тех пор пока проводились взрывы зарядов ВВ небольшой массы на малых глубинах, сейсмические колебания были непродолжительными и состояли из нескольких периодов объемных и двух-трех периодов поверхностных вод. В этих условиях наиболее опасными для зданий по частоте колебаний и по дальности распространения оказывались в основном поверхностные волны, особенности геология еского строения не играли существенной роли, и достаточно надежным критерием сейсмической безопасности служила эмпирически установленная величина критической скорости колебаний 10 см/с.

При увеличении масштаба взрывов продолжительность сейсмических кол^аний существенно возросла, увеличились и периоды колебаний всех групп сейсмических волн. Здания и сооружения стали получать повреждения при параметрах колебаний, которые ранее в инженерной сейсмологии при взрывных работах считались безопасными. Особенно отчетливо это проявилось при проведении подземных ядерных взрывов, кот^а 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 сооружений. Все это привело к снижению критических скоростей колебаний, вызывакяцих повреждения или разрушение здании из- за возникновения в них периодического процесса вынужденных колебаний подобно тому, как это происходит при землетрясениях. В этих условиях прямой расчет зданий и сооружений на действие сейсмических колебаний оказывается затруднительным и ненадежным.

По-прежнему эффективным для оценки сейсмического 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 (0,1-1 с) продольных и поперечных волн, которые доминируют на различных расстояниях от эпицентра взрыва.

Колебания грунта в поверхностных волнах можно не 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. 8.3. 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 зданий, зарегистрированных в дальней зоне. При этом для описания интенсивности сейсмического действия принята известная классификация повреждений:

Таблица 8.3

Кришческие горизотальные скорости колебаний для различной степени повреждения зданий

Объект

Максимальная горизонтальная скорость и 土 см/с

50% повреждений 15% повреждений

Многоэтажные здания с киртичными стенами Многоэтажные крупнопанельные здания Одноэтажные кирпичные здания Одноэтажные деревянные дома Саманные и глинобитные постройки Кирпичные печи и трубы Обрыв линии электропередачи и повреждения трубопроводов

2-5/5-100,30,6/0,6-1,2

0J-1/1-2

4-8/8-16' 0.5-1/1-2

10-20/20-302Y/4-8

4-8/8-16 ，0Д-1/1-2

2-5/5-101-2/2-4

-/50-100-/-

Примечание. В числителе - для легких повреждений, в знаменателе -умеренных.

легкие: осыпание побелки, тонкие трещины в штукатурке, в стыках плит перекрытия, в отопительных печах, откалывание небольших кусков штукатурки;

умеренные: трещины в стенах и кладке печей, откалывание значительных кусков штукатурки, случаи повреждений остекления.

Из данных табл. 8.3 можно отметить:

значение критической скорости заметно падает по мере увеличения расстояния, что связано, по-видимому, с ростом общей продолжительности сейсмических колебаний;

при оценке сейсмической опасности следует учитывать возможность появления легких повреждений при весьма низких скоростях колебаний вплоть до 0,5*1 см/с;

для снижения количества повреждений зданий от 50 до 5% требуется примерно на порядок уменьшить скорость колебаний;

критическая скорость существенно зависит от типа здания.

При скорсхгги колебаний грунта свыше 20-30 см/с в зданиях появляются признаки тяжелых повреждений: массовое откалывание и обрушение штукатурки, большие и глубокие трещины в кирпичных стенах и перекрытиях, сплошное повреждение остек- ленения. В табл. 8.4 приведено описание ссхггояния малоэтажных каменных зданий в широком диапазоне изменения максимальной горизонтальной скорости колебаний.

Чтобы на основе сведений о повреждениях, указанных в табл. 8.3 и 8;4 оценить сейсмически безопасные расстояния, необходимо привлечь график на рис. 8Д0 и учесть конкретные условия проведения взрыва: породы в очаге, сейсмические

Таблица 8.4

Критические горизонтальные скорости колебаний для различной степени повреждения каменных зданий

Степень повреждения

勺

Баллы

Отсутствие существенных повреждений

1,5-3

5

Осыпание побелки, тонкие трещины в штукатурке

3-6

6

Трещины в штукатурке и перекрытиях, падение кусков штукатурки

6-12

7

Трещины в кирпичной кладке, обрушение штукатурки

12-25

8

Большие трещины в стенах и перекрытиях, расслоение кирпичной кладки

2540

9

Частичное или полное обрушение несущих конструкций здания

50-100

10

свойства / трассы и грунтовые условия на месте расположения зданий. При взрыве мощностью 1 кт в скальных породах последствия сейсмического воздействия возможно обнаружить в зоне до 10 км, а умеренные повреждения здании - до 3-5 км, при мощности 100 кт эти расстояния возрастают ссютветствен- но до 100-200 км и до 20-30 км.

Сведения табл. 8.3 и 8.4 напоминают описание сейсмических эффектов при естественных землетрясениях. Разрушительную сйлу землетрясений в сейсмологии принято оценивать в баллах. Степень балльности определяется по ощущениям людей, 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 разрушения и эффекты. В настоящее время в нашей стране и ряде других стран применяется шкала MSK-64. По описаниям 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. Аналогичные данные приведены ниже (С.В. Медведев, Н.В. Шебалин, Ф.Ф. Антикаев, 1964, 1967, 1969).

Связь между интенсивностью землетрясений и скоропъю колебаний

/, балл

566,5

7

7,5

8

9

10

и, см/с:

по Ф.Ф. Антикаеву.,

5,58,5

13

18

30

-

■

по С.В. Медведеву ..

.1,5-3 3-6・

6-12

-

12-24

24-48

48

по С.В. Медведеву,

Н.В. Шебалину....

2-4-

4-8

一

816

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 формуле

Рис. &13. Соотношение между горизонтальной скоростью колебаний и балльностью

Рис. 8.14. Зависимость размера зон различной интенсивности сейсмического воздействия взрыва от балльности：

/, 2, 3, 4 - соответственно для эквивалентной мощности взрыва 1; 10; 102; 103 кт

勺=6 T0Z (8.21)

Верхний пунктир - данные Ф.Ф. Антикаева, нижний - С.В. Медведева и Н.В. Шебалина. Подставив в (8.21) поочередно зависимости горизонтальной скорости колебаний от энергии взрыва и расстояния (8.14) и (8.17), получим соотношение между размером зоны (км) той или иной интенсивности разрушений от заданной балльности и эквивалентной мощности взрыва (кт).

(8.22)(8.22)R - 2,8 ・10V継户"для q а 1-10, R ® 8,5 Т0vM〃^繩 ддЯ q > 1俨.

(8.22)

(8.22)

Размеры зон с различной интенсивностью сейсмического воздействия в зависимости от дальности показаны на рнс. 8.14 для ряда энергий взрыва в диапазоне 1 < ^ < 103 кт. В указанном диапазоне изменения энергии взрыва размер зоны, охваченной равными изсюейсмами, изменяется, примерно, на два порядка. Для зарядов с энергией g « К^^Ю3 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 испытаниями ядерного оружия внимание сейсмологов обращено к теле- сейсмической области распространения волн. Благодаря интенсивному развитию исследований в этой области следует считать доказанным возможность обнаружения подземных ядерных взрывов сейсмологическими средствами. Предметом дальйейших исследований являются взрывы малой эквивалентной мощности (менее 1 кт) и взрывы декаплинга, когда заряд размещен в полости.

5Mин5MинКороткий перио8 。Длинный 电“^Короткий перио8 。Длинный 电“^

5Mин

5Mин

Короткий перио8 。Длинный 电“^

Короткий перио8 。Длинный 电“^

Рис &15. Образцы сейсмограмм от взрыва (а) и землетрясения (② в теле- сеисмической 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 (Тр =■ Н2 с) и длиннопериодных поверхностных волн (4 = Ю-^ЗОс). Поэтому для более четкой регистрации колебаний в телесейсмической области используют два типа сейсмоприемников: короткопериодные для регистрации объемных волн и длиннопериодные для регистрации поверхностных волн. В целях распознавания телесейсмических сигналов от взрывов и землетрясений в настоящее время выделено около десяти критериев:

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,

Магнитудный критерий, основанный на отношении интенсивности колебаний объемных и поверхностных волн, которое различно у взрывов и землетрясений.

Критерий первого движения, которое зачастую отличается на сейсмограммах взрывов и землетрясений.

Спектральный критерий по объемным волнам, период колебаний которых в телесейсмической области заключен в интервале 0,5-2 с и практически не зависит от мощности взрыва. У землетрясений период продольных волн обычно выше.

Спектральный критерий по поверхностным волнам, период колебаний которых при землетрясениях смещается в область бмьших периодов.

Критерий сложности записи, основанный на анализе записи в целом, которая существенно сложнее и продолжительнее в случае землетрясений.

Слабая интенсивность поперечных колебаний при взрывах как у объемных волн S, так и поверхностных волн 七,которые регистрируются на тангенциальных компонентах движения.

Наличие интенсивных форшоков и афтершоков при землетрясениях.

9・ Азимутальные вариации магнитуды при землетрясениях.

10・ Поляризационный критерий, основанный на слабой интенсивности поперечных колебаний при взрывах как в объемных волнах S, так и в поверхностных волнах L, которые 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 прихода продольных и поперечных волн, глубину - по разности прихода прямой и отраженной от поверхности земли продольных волн.

Использование станций группирования позволяет установить координаты взрыва с точностью 10 км. Энергию взрыва определяют по магнитуде сейсмического сигнала. Магнитудой называют логарифм отношения максимальной амплитуды смещения на сейсмограмме к периоду колебаний с учетом изменения этой величины в зависимости от расстояния по калибровочной кривой. В сейсмологической практике наиболее широко используют магнитуды продольных волн тр и поверхностных волн М^

По результатам регистрации телесейсмических сигналов при подземных адерных взрывах установлены зависимости магнитуд объемных и поверхностных волн от мощности взрыва. В качестве примера на рис. 8Д6, 1 приведены такие зависимости для взрывов в твердых породах типа гранита, соли, вулканического туфа и др. Мохцности взрывов взяты из опубликованных данных. В рассматриваемом случае взрыва в твердых породах зависимости магнитуды объемных 加口 и поверхностных MR волн от мощности взрыва имеют вид:

тр ■ 4,3 + 0,851g%

MR - 3,2 + 0,85Igq・ ®23)

Зависимости магнитуды от мощности взрыва оказались чувствительными к типу породы в очаге взрыва. С понижением импенданса среды снижается доля энергий, идущей на 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:

к m / 0,85 g - 5-10'6Ч0 ° ,

1,8Ю'41,8Ю'4•10•10М/0,85ЛМ/0,85Л

1,8Ю'4

1,8Ю'4

•10

•10

М/0,85Л

М/0,85Л

Рис. &16. Зависимость сейсмической магнитуды от энергии подземного взрыва：

I - твердые породы; 2 ” пористый туф; 3 - аллювий

Таким образом, современные методы обработки телесейсми- ческих записей, зарегистрированных сетью станций, позволяют выделить сигналы от подземных взрывов эквивалентной мощностью свыше 1 кт, надежно идентифицировать их от землетрясений, определить место и время взрыва, и по магнитуде сейсмического сигнала оценить энергию заряда.

В настоящее время сейсмология взрывов как научное 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 массивов;

развитие высокочастотных методов регистрации сейсмических колебаний;

изучение сейсмического режима и медленных послевзрывных деформаций в связи с блочным строением массивов;

использование сейсмических колебаний от мощных взрывов для изучения строения Земли и состояния пород на больших глубинах.

&4・ ПРИМЕНЕНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВЗРЫВОВ

ПРИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ

Рассмотренные в настоящей работе проявления крупномасштабного подземного взрыва позволяют говорить о принципиальной возможности его использования на стадии подготовки массива горных пород к выщелачиванию. Основные параметры подготовки (с точки зрения геотехнолоютеских способ» переработки рудного материала), достигаемые в зоне разрушения подземного взрыва, обеспечивают достаточно высокую степень вскрытия металлосодержащих включений [72J при хороших фильтрационных способностях подготовленной рудной массы. Причем при относительно невысоких удельных расходах энергии крупномасштабный взрыв обеспечивает высокий процентный выход мелких фракций (табл. 4.4), что непосредственно связано с масштабом воздействия: большие абсолютные деформации материала среды в объеме приводят к дополнительному дроблению горной породы по сравнению со взрывами малого и средне масштаба.

Опыт применения технологии подземного выщелачивания на рудных месторождениях, а также имеющиеся в литературе проработки позволяют оценить цижние пределы скновных параметров подготовки горного массива, таких как проницаемость и размер отдельности, В ряде работ [24, 38] указывается на возможность организации выщелачивания полезного компонента без проведения дополнительной подготовки при коэффициенте проницаемости к > 2 ТО*13 宾.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 выщелачивания также возможен, однако вследствие меньших скоростей извлечения полезного компонента для обеспечения необходимой производительности участка необходимо вовлекать в переработку большую по о&ьему рудную массу.

Основной интерес с точки зрения возможности осуществления геотехнологического процесса непосредственно на месте залегания руды представляет рассмотрение фильтрационных характеристик породного массива в зоне разрушения подземного взрыва. Исследования, проведенные в настоящей работе, свидетельствуют о значительном увеличении проницаемости породного массива в результате подземного взрыва. Обращаясь к конкретным значениям фильтрационных параметров среды после взрыва, убеждаемся в возможности организации беспрепятственной циркуляции растворителя в значительной по объему области (объем рудной .массы, коэффициент проницаемости которой превышает 2-10"1 м2, составляет для взрыва эквивалентной мощностью 2 кт значение около 2е 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 выщелачиванию, и в первую очередь - экранировку взрывного воздействия, позволяющую заметно увеличить степень и пространственную равномерность дробления горной породы в пределах подготавливаемого участка.

Достигаемые в зоне разрушения мощного взрыва гранулометрические и фильтрационные характеристики рудной массы позволяют извлекать полезный компонент методом подземного выщелачивания в экономически целесообразные сроки. Предполагаемое количество металла, которое может быть извлечено непрерывным выщелачиванием из рудной массы, подготовленной крупномасштабным взрывом, приведено ниже.

Предполагаемое количество извлечения металла «м при выщелачивании рудной

массы, подготовленной крупномаспгтабным взрывом подготовке с экраном

(фэ

-то же, при

Время выщелачивания, сут50100

200

300400

Зм, % 2441

59

7178

外，% 3660

75

8491

Оценки проводились на основе расчетной модели процесса подземного выщелачивания, описанной ранее, применительно к медно-никелевым рудам Кольского региона (скорость проникновения раствора в породу составляет величину около 10'3 м/с) [67]. Гранулометрические и фильтрационные параметры выщелачиваемого материала выбирались в соответствии с результатами исследований породы в зоне разрушения мощного подземного взрыва энергией 2 кт. Размер участка подземного выщелачивания выбирался в соответствии с размером области, в которой средний размер отдельности не превышал 0,5 м・

Результаты детальных исследований процесса выщелачивания различных руд свидетельствует о значительном влиянии температуры на скорость извлечения полезного компонента. 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 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

заметно сократить сроки извлечения полезного компонента и: недр.

Обоснование возможности применения мощного подземной взрыва в геотехнологии не ограничивается рассмотрениек толью 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 возможнок радиационном загрязнении горной породы. Вопросы 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 ности, помимо непосредственного отделения радиоактивно! породы [62] существуют и другие возможности для повышение радиационной безопасности: применение термоядерного взрывного устройства (эксперимент показал, что остаточное гамма- излучение от термоядерного взрыва эквивалентной мощностьк 1 Мт с атомным взрывателем эквивалентной мощностью 3 кт i 3 ра^а 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 окиси бария позволяют на порядок снизить радиоактивность пр・ подземном взрыве). Проведенный эксперимент [90] показа; достаточно низкий уровень радиоактивности при переработка медьсодержащих растворов экстракцией или электродиализом (выщелачивался рудный материал из столба обрушения подзем* ного ядерного взрыва). При этом уровень радиации в непосредственной близости от емкостей с технологическими раст ворами не превышал 1 мР/ч.

Экономические показатели геотехнической подготовки гор ного массива с помощью крупномасштабного подземного вз照в| определяются помимо прочего мощностью используемого взръпй ного устройства* Анализ показывает, что удельные затраты 用 дробление горной породы значительно снижаются при испол^ зовании более крупных по энергии источников. *

Затраты на дробление горной породы при мощности

Эквивалентная мощность заряда, кт ...

Стоимость заряда, тыс. долл

Затраты на дробление 1 т породы, долл .

При этом существенно, что

подземных

10

350

20

390

1,38 0,51

адерных взрывах разно!

СТОИМОСТЬ

50 425 0,27

70 450 0,19

единицы

ядерного взрыва значительно ниже стоимости единицы

100 ” 470 ? 0,14

знерН

химического ВВ. В качестве иллюстрации ниже приведена удельная стоимость，энергии некоторых взрывных источников^ отнесенная к удельной стоимости энергии тротила.

Сравнительная стоимость удельной энергии различных источников взрыва

Тротил1,0

Динамит0,86

Нитрат аммония 1• • °，26

Ядеиное устройство эквивалентной мощностью, кт:

100,076

100 0,0097

1000 0,0012

Сравнение с затратами на дробление при взрывах 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 разрабсигку месторождения халькозиновых руд (24 млн, т руды с содержа* нием меди около 1%) с помощью традиционной технологии и технологии подземного выщелачивания с подготовкой горной массы крупномасштабным взрГывом. Сравнение показывает, что стоимость 1 т меди, полученной методом подземного выщелачивания с подготовкой ядерннм взрывом почти в 1,5 раза ниже стоимости меди, полученной с помощью традиционной технологии.

Имеющиеся проекты предполагают использование подземного ядерного взрыва для первоначального дробления мощных залежей бедных и забалансовых руд [23], в том числе на стадии подготовки горного массива к выщелачиванию [62]. В качестве примера рассмотрим американский проект "Слуп” [84], 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%. Ожидаемый гранулометрический состав подготовленной к выщелачиванию рудной массы характеризуется средним размером отдельности 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.

В рассмотренном и других проектах предусматривается выщелачивание руды в пределах столба обрушения. Исследования, проведенные в настоящей работе, указывают на возможность осуществления выщелачивания в зоне взрывного дробления, отоем которой на порядок превышает объем столба обрушения. Последнее не только благоприятно сказывается на экономике метода подземного выщелачивания, но. также расширяет возможности для реализации конкретных технологических схем.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РУД, ОТБИТЫХ КРУПНОМАСШТАБНЫМ ВЗРЫВОМ

ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ВЬПЦЕЛАЧИВАНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ

Процесс выщелачивания полезного компонента, происходящий при контакте химически активного реагента с металлосодержащими включениями, определяется структурными и фильтрационными характеристиками разрабатываемого породного массива и слагающих его пород. Проработка вопросов, связанных с установлением возможности использования крупномасштабного подземного взрыва на стадии геотехнической подготовки породного массива, требует проведения оценок выходных характеристик процесса выщелачивания рудной массы, проницаемость и гранулометрический состав которой соответствуют аналогичным характеристикам, достигаемым в зоне разрушения подземного взрыва. В связи с этим необходимо разработать аналитическую модель процесса подземного выщелачивания, которая позволяла бы в рамках единого физического представления описывать количественно наиболее существенные черты рассматриваемого процесса.

Процесс подземного выщелачивания определяется в первую； очередь структурными характеристиками массива. Следова-^ тельно, основу аналитической модели должны составлять функ* циональные связи между технологическими параметрами сббст^' венно процесса выщелачивания и структурными характеристиками^ выщелачиваемого массива. Под технологическими параметрами процесса ПВ в данном случае подразумеваются гидродинами^； ческие характеристики потока рабочего тела в среде, а такж^ выходные параметры процесса. Основным параметром, опред£； ляющим действенность геотехнологического способа разработки^ является степень извлечения металла

АМ = Af(D/Mo, (9・D где M(t) - количество металла, содержащегося в извлеиенно* 294

из рудной массы продуктивном растворе к моменту времени f; № - общее количество металла в выщелачиваемой массе.

Динамика выщелачивания металла из подготовленной в 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 начинается практически сразу после подачи рабочего раствора в массив и заканчивается в наиболее короткие сроки. Более длительным является процесс выщелачивания в мнкротрещинах. И, наконец, наиболее продолжительным - процесс выщелачивания, происходящий в микропоровом пространстве. Время выщелачивания металла в каждом из перечисленных случаев определяется, во-первых, конкретным механизмом доставки растворителя к металлосодержащим включениям, а, во-вторых, относительным количеством металла, находящегося на поверхности соответствующих приницаемых каналов. Последнее определяется помимо прочего текстурными особенностями оруденения.

В связи с тем, что структурные характеристики трещинного (промежутки между отдельностями), микротрещинного и микро- порового проницаемых пространств существенно отличаются друг от друга, необходимо рассматривать процесс выщелачивания в каждом из перечисленных проницаемых пространств по отдельности (с точностью, обеспечиваемой допущением о независимости процесса выщелачивания в указанных пространствах). Такой подход представляется в нашем случае наиболее приемлемым, поскольку динамика движения, а также характеристики диффузионного процесса, определяющие скорость собственно выщелачивания> имеют свои особенности для конкретного 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. Раздельное рассмотрение процесса выщелачивания металла с поверхности отдельностей и поверхности микротрещин позволяет учесть особенности движения растворителя в каждом конкретном случае и выделить х^хцие закономерности перехода металла в раствор.

Переход ионов металла из металлосодержащих включений в легкоизвлекаемый нз рудной массы растворитель осуществляется в результате ряда последовательных физических процессов, куда ВХОД5ГГ： собственно растворение металла в результате его химического взаимодействия с растворителем, диффузионный

отток продуктов реакции от поверхности непосредственного контакта растворителя с металлсодержащим включением и вымывание продуктивного раствора из рассматриваемого проницаемого пространства.

В настоящей работе не будут рассматриваться электрохимические процессы на границе металл-растворитель. Сложная физико-химическая структура пограничного слоя будет представлена в виде пристеночного ионного слоя с характерной для данного металла и его растворителя концентрацией Со. Очевидно, что величина Со соответствует максимально достижимой концентрации ионов металла в растворителе. Поскольку концентрация молекул химически активного реагента в свежеприготовленном рабочем растворе составляет

С「PN/U + В/" , (9.2)

(9.3)(9.3)где МкВ- соответственно молекулярная масса и массовая концентрация химически активного реагента в растворе, получаем выражение для средней по поверхности взаимодействия растворителя с металлсодержащим включением концентрации ионов металла Со выражение

(9.3)

(9.3)

(1 - Вр)0м〃м?，

где ^. - число Авогадро, р - плотность воды при нормальных условиях (при низких концентрациях химически активного реагента плотность раствора практически совпадает с 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 выщелачиваемого металла; ам - массовое содержание металла в руде.

При выводе соотношения (9.3) учитывалось, что поверхностная концентрация металла а_ в среднем приближается к объемной

、-%%/%

Для подтверждения справедливости последнего утверждения рассмотрим отдельность руды в форме куба с длиной ребра Zk. Согласно определению поверхностной концентрации металла

а$ м $ (z)/zj,

где Sm (z) - поверхность металлических включений на поверхности сечения, проходящего на расстоянии z от боковой границы отдельности.

Определяя среднее значение параметра а§ по объему отдельности, получаем

<a > =/ 入⑵dz=—-『Sm⑵dz0

S 。о szl 023

где 匕-суммарный объем металла в отдельности.

На основании полученного соотношения с учетом

О^м =* Рм%/(рО^)

получаем окончательно

(9.4)

92 ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ МЕТАЛЛА С ПОВЕРХНОСТИ МИКРОТРЕЩИН

Будем рассматривать диффузионный процесс, происходящий в микротрещинном пространстве горной породы при условии его полной заполненности растворителем* Индивидуальный проницаемый канал микротрещинного пространства представим в виде плоской щели со средним раскрытием £к.

Оценим предварительно характерное время насыщения растворителя ионами металла в случае неподвижного рабочего тела. Концентрация ионов металла С^ в растворителе описывается с расстоянием до поверхности микротрещины 修 уравнением свободной диффузии.

51")51")dtdt02c (X ,Г)Q——3—m 3x；02c (X ,Г)Q——3—m 3x；(93)(93)

51")

51")

dt

dt

02c (X ,Г)

Q——3—

m 3x；

02c (X ,Г)

Q——3—

m 3x；

(93)

(93)

где Dm - коэффициент диффузии ионов металла в растворе.

Начальные и граничные условия задачи следует принять в виде

f « 0; Cm(xp0) м 0, Эс (х.,е) еМ(0,0 - Со；--—f « 0; Cm(xp0) м 0, Эс (х.,е) еМ(0,0 - Со；--—(9.6)(9.6)■ 0 . hYk/2"■ 0 . hYk/2"(9.7)(9.7)

f « 0; Cm(xp0) м 0, Эс (х.,е) еМ(0,0 - Со；--—

f « 0; Cm(xp0) м 0, Эс (х.,е) еМ(0,0 - Со；--—

(9.6)

(9.6)

■ 0 . hYk/2"

■ 0 . hYk/2"

(9.7)

(9.7)

Предельное условие на границе xi 匸 ек/2 означает, что поток ионов через осевую поверхность микротрещины отсутствует (вследствие симметрии диффузионного процесса от прсгги- воположных стенок микротрещины).

С помощью Фурье-метода определяем собственные значения краевой задачи (9.5)-(9.7)

Ст'С。Ст'С。N74N74Рис. 9.1. Распределение концентрации ионов металла в микротрещине при разном времени с начала процесса

Ст'С。

Ст'С。

N74

N74

J - ОД с; 2 - 0,5 с; 3 - 1 с; 4 - 5 с; 5 - 10 с; б - 20 с

(2. - 1)Л

匕 н ?, i = 1, 2，3, ..., п

и соответствующие им собственные функции

厶 н sinpл1, i п 1，2, 3, •・.，几

sinl(2i - 1)П*1/£к2i - 1sinl(2i - 1)П*1/£к2i - 1В результате получаем решение смешанной задачи в виде

sinl(2i - 1)П*1/£к

2i - 1

sinl(2i - 1)П*1/£к

2i - 1

X

[

(2i - I)%% t I

璽一卜(9.8)

Полученное решение позволяет оценивать степень насыщенно-1 сти рабочего раствора ионами металла, а также время полного j насьпцения % (момент достижения концентрации Со во всем, объеме микротрещины). В качестве иллюстрации на рис. 9Л1 представлен вид зависимости 。加(хО для разных моментов! времени, вычисленный на основе (9.8) при наиболее типичных；, значениях £х = 3* 10-4 м и Dm ■ 10л м'/с. Время полной .насыщения растворителя £ в этом случае составляет величину около 25 с. Аналитическое выражение для %，как это следуе| из (9.7), представим в виде t " 0+3)£：/(紋1)).『

Дальнейшее рассмотрение задачи о выщелачивании с поверж ности микротрещин связано с установлением количества мО талла, выходящего с продуктивным раствором. ПредварителкЯ оценим время (, в течение которого растворитель находитц| 298

внутри микротрещинного пространства отдельности размером <х>. На основе трещинного представления лолучаем

/<X>L К 1

t *0,

X %г^р

где 〃ф = СкДР/ПцЛкМЯ - физическая скорость движения растворителя в микротрещинном пространстве;入* н М * соответственно микротрещиноватость породы и количество систем микротрещин; м - вязкость растворителя; АР - перепад давления рабочего раствора по высоте отрабатываемого блока ПВН.

Сравнивая между собой выражения для tc и 々,получаем

t (О,16^0,25)С Др

"——5——《1.

， П^цЛ 8N、D Н

Действительно, для реальных значений 必 父 10'3 кг/ (м • с), Лк н 102, <х> = 10"1 м, М = 3, £к н ЗТ0"4 м, АР/Н = 匸 104 кг/м2,с2 отношение tjq составляет около 0,05.

Полученное соотношение между временами f и £ позволяет 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 tjq 《1 дает возможность отказаться от детального описания процесса насыщения рабочего раствора металлом.

Таким образом, можно считать, что с достаточной для практических оценок точностью продуктивный раствор, выходящий из микротрещинного пространства, имеет концентрацию ионов металла, равную G・

Выражение (9.2) определяет массовое количество металла в единице объема продуктивного раствора, получаемого из микротрещинного пространства, в виде

』В/4 /“ ・，(9.9)

ек 犷*Р м *

где Лф - атомная масса выщелачиваемого металла.

Если за начальный момент времени f = 0 принять момент заполнения рабочим раствором трещинного (достаточно высоко- проницаемого) пространства, то суммарное количество металла, поступающее из микротрещинного пространства в накопитель, представимо в виде

ММW1 У.Ме Jf 鼻яW1 У.Ме Jf 鼻яУ(Ьк^^е к УЕ у2 У(ь к Af ± к У£У(Ьк^^е к УЕ у2 У(ь к Af ± к У£^, (9.10)^, (9.10)

М

М

W1 У.Ме Jf 鼻я

W1 У.Ме Jf 鼻я

У(Ьк^^е к УЕ у2 У(ь к Af ± к У£

У(Ьк^^е к УЕ у2 У(ь к Af ± к У£

^, (9.10)

^, (9.10)

где V - объем выщелачиваемого блока; % и уфк - соответственно скорость фильтрации по трещинному и микротрещинному пространствам. При этом в соответствии с (5.11)

(9J1)(9J1)М « (1 - SRwD*尸/(24口Я), уф н (1 - S)£：AP/(24u)<x>H,

(9J1)

(9J1)

где Su и S - соответственно коэффициенты перекрытия 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 продуктивного раствора, поступающего из микротрещинного пространства по трещинному высокопроницаемому пространству. Действительно, продуктивный раствор, выходящий из микротрещинного пространства отдельностей, расположенных в верхней части выщелачиваемого блока, попадает в трех^инное пространство и в соотношении %/% попадает в накопитель из трещин. При этом необходимо учитывать, что первые порции продуктивного раствора из микротрещин начинают выходить из блока с момента времени

友 в 1*QHNJ9込Р>*

Общее количество металла, расположенного на поверхности микротрещин составляет величину

Л^ко н 2(1 ~ Л1) ОСмро6м^к VN\, где m - пористость массива,瓦-линейный размер металлсодержащего включения.

Время полного выщелачивания металла с поверхности микротрещин составляет

24(1 - 8)以 N%/尸

t 2—史込*(9.12)

к (1 - s )3 ре3х 4 уАр к р к к *

Таким образом установлено, что общее количество металла, находящегося на поверхности микротрещин, выщелачивается в интервале (J%) причем выход металла со временем определяется линейной зависимостью (9ДО).

9・3. ДИНАМИКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО КОМПОНЕНТА ИЗ МИКРОПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА

Важной технологической характеристикой горной породы является время заполнения микропорового пространства раст-

ворителем 备・ Параметр G определяет не только среднюю скорость выщелачивания, но и предрасположенность конкретной горной породы к выщелачиванию без проведения специальных мероприятий по воздействию на ее микроструктуру.

Динамику насыщения 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 характера, для оценок основных параметров движения растворителя воспользуемся законом Пуазейля. В этом случае расход жидкости G* связан с параметрами капилляра зависимостью

Gx 亭 п^ДРк/(8м/к), (9.13)

гце 厶-радиус капилляра, ДРК - перепад давления по длине капилляра 4.

Перепад давления ДРК складывается из двух слагаемых: гидродинамического перепада давления вследствие наличия градиента 厶尸/Н и капиллярного давления

尸с - 2<rKcos9c/rK,(9.14)

где 0V - коэффициент поверхностного натяжения жидкости^ 0С - краевой угол меннска.

Таким образом из (9.13) с учетом (9.14) получаем скорость пропитки в виде

(9.15)

где Ф - коэффициент сопротивления, учитывающий трение при движении жидкости в реальных капиллярах малого сечения.

Опытным путем установлено» что величина ап - определяется конкретной структурой горной породы. Для справки в табл. 9.1 приведены значения средней скорости пропитки &口 для некоторых скальных пород [32].

Более детальные исследования показывают, что скорость капиллярной пропитки падает по мере проникновения 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 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 проф< М・М・ Протодьяконова 1Q-15, пористость /%)， авторы работа

Таблица 9.1

Средняя скорость пропитки некоторых горных пород

Структура пород

Крепость по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Плотность, кг/м3

Пористость, %

10'8 м/с

Трахитовая (трахидацит)

15-17

2500

0,61

0,53

Порфировая (фельзит-порфир)

10-12

2450

1J

1,5

Равнозернистая (базальт)

9-12

2430

0,57

0,44

Равнозернистая

8-10

2440

0,89

1,04

(гранит)

[22] рекомендуют при определении скорости пропитки пользоваться зависимостью

ап = - Л/Д? + В,

где Zn - глубина проработки отдельности раствором; Л и В - коэффициенты, характеризующие проницаемость породы (конкретные значения коэффициентов, вычисленные по данным работы составляют JT・ 9,24е 10-8 м/с, 5 « 3,9-10"7 м1/2/с).

При дальнейших оценках будем пользоваться средней скоростью пропитки, предполагая для простоты ап 匸 const. Гранулометрический состав выщелачиваемой рудной массы будем характеризовать распределением Розина-Раммлера (3.6).

Рассматривая отдельности одинакового линейного размера х, получаем, что к моменту времен t пропитается объем породы, равный

где V - суммарный объем выщелачиваемой массн, @(х) - плотность распределения отдельностей по размеру, которая в случае распределения (3.6) имеет вид

咐N鼻（-t『\xp Н闵）咐N鼻（-t『\xp Н闵）(9.17)(9.17)

咐N鼻（-t『\xp Н闵）

咐N鼻（-t『\xp Н闵）

(9.17)

(9.17)

Общее массовое количество растворителя, внедрившегося в микропоровое пространство отдельностей одинакового размера составляет величину

%(2 . pm0(l - wOW(x)[l - [1 - "V"『],

где m и mo - соответственно пористость рудной массы и собственно горной породы.

Учитывая, что к моменту времени t отдельности с размером х < 241f будут полностью пропитаны растворителем, определяем с использованием (3.6), (9.16) и (9.17) относительное количество металла, вступившего в контакт с растворителем в микропоровом пространстве

联)7联)7отсюдаотсюдаМп (t)Мп (t)ммe十8e十8? ^,n^dz +? ^,n^dz +ьпьп

联)7

联)7

отсюда

отсюда

Мп (t)

Мп (t)

м

м

e十8

e十8

? ^,n^dz +

? ^,n^dz +

ьп

ьп

^lnedz.^lnedz.(9.18)(9.18)m. со

^lnedz.

^lnedz.

(9.18)

(9.18)

+J Z>2/%ZdzJ

b"bn

хде b ■ 2%〃хь; M - количество металла, находящееся в глубине рудного материала.

Для малых времен t « Хо/ап зависимость (9.18) представима в более простом виде

毋а в 1〜喂中・子)+普г(2 -■

・¥「(2・+),

где Г (у) - гамма-функция.

Полученная зависимость (9.18) определяет количество металла, находящегося в области насыщения горной породы химически активным реагентом. При необходимости формулу (9.18) можно использовать для ориентировочной оценки степени 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

г<ФДРг<ФДР16gя16gя<Х>Ар + <ГкСО&8с<Х>Ар + <ГкСО&8с0厶尸 + 2<УкСО$6е0厶尸 + 2<УкСО$6е(9.19)(9.19)

г<ФДР

г<ФДР

16gя

16gя

<Х>Ар + <ГкСО&8с

<Х>Ар + <ГкСО&8с

0厶尸 + 2<УкСО$6е

0厶尸 + 2<УкСО$6е

(9.19)

(9.19)

При выводе последнего соотношения учитывалось, что протяженность капилляра 4 сравнима с размером отдельности <х>, а физическая скорость истечения продуктивного раствора из

Рис. 92 Даля металла, извлеченного из микропороврго просфанспва отдельностей в результате выщелачивания (оценки при 〃 =1Л)

капилляров, полностью заполненных жидкостью, составляет величину, равную

^Р/(^Н).

В качестве иллюстрации на р^с 9.2 представлена относительная величина М(Е) в безразмерных координатах, рассчитанная согласно (9.18) при п = 1,1.

Основные характеристики прайса переноса внутри микро- порового пространства отдельности можно получить на основе теории стесненной диффузии [10]. Рассмотрим постановку этой задаШ для случая отдельности кубической формы (длина ребра <х>)» Пространственные координату х产 i = 1, 2, 3 ориентированы в трех взаимно перпендикулярных' направлениях, причем координата Лз совпадает с направлением gradR В этом случае концентрация ионов металла С巾 в микропоровом пространстве, заполненнрм раствором, описывается уравнением

д2Сд2Сд2Сдс

(9.20)(9.20)——2?_ + --也 + -——邁一-a"-— ^

(9.20)

(9.20)

8/дх28制日Х3 ,

где А* - коэффициент стеснения диффузии; °《丐 £ %冷(i ^ =1，2, 3).

(9.2D(9.2DВ простейшем случае параметр D* связан с коэффициентом свободной диффузии Dm соотношением [7]

(9.2D

(9.2D

q f 0峻 + “J

те 也-радиус диффундирующего иона.

Начальные условия задачи имеют вид (отсчет времени ведется с момента заполнения микропорового пространства раст* ворителем) / 304

(9.22)(9.22)(9.23)(9.23)(9.24)(9.24)

(9.22)

(9.22)

(9.23)

(9.23)

(9.24)

(9.24)

E = 0； %(马°)= %

Граничные условия смешанной задачи записываются с учетом материального баланса

看=土 <х>/2, а = 1, 2, 3);

(дС/Зх) ■ -В.(СП - С^/<Х>, i ■ 1, 2, 3;

где В. = k^<x>/D^ ・ диффузионный критерий Био;比* - коэффициент массоотдачи; Сп и Сю - соответственно концентрация

ионов металла на поверхности куска и равновесная концентрация^ при 力—> 8 (последняя стремится к концентрации ионов в растворе, омывающем отдельности).

В целях установления вклада диффузионной составляющей в общий процесс извлечения металла из микропорового пространства отдельности рассмотрим решение чисто диффузной задачи, для чего в правой части уравнения (9.20) положим ап * 0 (конвективный вынос полезного компонента отсутствует) .

При хзо 《Хю ~ Хао решение смешанной задачи (9.20), (9.22), (9.23) имеет вид

где Mv (V « 1, 2, 3,…)“ корни характеристического .уравнения ctgP * 2м/В..

Используем решение (9.24) для оценки временных параметров диффузионного процесса извлечения металла из микропор в наиоолее благоприятных условиях. При Сю « 0 (отдельность омывается каждый раз свежим раствором) получаем

С - 4С В. УС - 4С В. Уcos (2g JC3/<X>)Г 4出/*£

С - 4С В. У

С - 4С В. У

expсо$М [4М； + 2В. + (5 )2][ (Г>)2

С точностью до гдавных членов разложения характерное время диффузионного процесса представимо в этом случае в вцде *

Tn a (8)2(6 + A)/(12BD ).

При больших скоростях обтекания отдельности внешним потоком реагента (々 -> 8)имеем с учетом (9.21) % * «х>)2(1 + 2,4rg/rK)/(12m0Dm).

Из последнего выражения при Dm = 10'9 м2/с, mQ » 0,1% и

勿勿《 々 получаем, что характерное время диффузионного выноса

勿

勿

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

「戈~ * 1° &

что совпадает с реальными временами выщелачивания из куска [24, 62].

Последнее служит дополнительным подтверждением правомерности использования зависимости (9.18) для оценки количества металла, выщелачиваемого со временем из микропорового пространства.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

Прежде чем приступить к установлению выходных параметров процесса выщелачивания определим количество металла, выщелачиваемого со временем с поверхности отдельностей. В отличие от движения в микротрещинном пространстве движение раствора в трещинном пространстве характеризуется существенно большей физической скоростью. Последнее приводит к перемещению потока рабочего раствора в поперечном направ- лении5 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 9/(2), где z - расстояние от подошвы отрабатываемого блока.

Для описания динамических характеристик выщелачивания воспользуемся наиболее приемлемым для нашего случая законом Фика

/ф = Ун骐 dcm, который представим в виде конечноразностного соотношения % м ・ %/%(9.25)

me R* ^ Xx,% - коэффициент диффузионного сопротивления;

△xi - 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 <С >(z)

匕也dt匕也dtПереходя z, получаем d<C > ——遇dzПереходя z, получаем d<C > ——遇dz4

匕也dt

匕也dt

Переходя z, получаем d<C > ——遇

dz

Переходя z, получаем d<C > ——遇

dz

В-У>⑵・節

в последнем уравнении к независимой переменной

4

EVT~ KC/(z) - Со]

* Ф m

《%> ⑵Н《%> ⑵НCJ 1 - expCJ 1 - exp4(н -* ф wi4(н -* ф wiИскомая функция <С再>(z) в этом случае имеет вид

《%> ⑵Н

《%> ⑵Н

CJ 1 - exp

CJ 1 - exp

4(н -

* ф wi

4(н -

* ф wi

где Оф « 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

<Сщ>(0) = Cg 1 ■ exp<Сщ>(0) = Cg 1 ■ exp4Я4Я

<Сщ>(0) = Cg 1 ■ exp

<Сщ>(0) = Cg 1 ■ exp

4Я

4Я

отсюда получаем массовое количество металла в единице объема раствцра, выходящего из трещинного пространства:

4H4H(9.26)(9.26)

4H

4H

(9.26)

(9.26)

где величина М^ определена соотношением (9.9)・

Написанное равенство определяет массовое количество металла МтО), поступающее в накопитель с поверхности отдельностей, в виде

(1 - S)£；%tAW£

Мг(О =,(9.27)

24冲2由

где № - количество систем проницаемых трещин.

Полученное выражение для Мт (0 справедливо для времени

307

t < Гв, где /в - момент образования фронта выщелоченной руды. Поскольку фронт полного выщелачивания распространяется по среде со скоростью ”, легко определить величину М^ для » > f” С использованием (9.26) получаем

(9.28)(9.28)

(9.28)

(9.28)

(9.29)(9.29)Параметр процесса tB определяем, задаваясь размером металлсодержащего включения 方載 Учитывая, что с единицы поверхности отдельности при z » Я уносится C^/Rm ионов металла, а масса металла на единице поверхности отдельности составляет величину 2ali₽也/3, получаем

(9.29)

(9.29)

L 2aAy£/(ЗС//・

Таким образом) окончательно можно записать

Мт(ОМт(ОГ^^Н^Х(v^M^Vt/H) «Г^^Н^Х(v^M^Vt/H) «-еХр(-4Я/£фифЯщ)], 0 < £ < %

Мт(О

Мт(О

Г^^Н^Х(v^M^Vt/H) «

Г^^Н^Х(v^M^Vt/H) «

1 - exp}看，]}"<ЗЯ&

,0, t > А + Я/мф,

где величины М^ и А определены соответственно выражениями (9.9) и (9.29).

Общее количество металла, расположенное на поверхности отдельнсютей составляет величину

мт - PMxAVra - 1/п) Г(1 + 1/п)/<л>.

При выводе последней зависимости использовалось выражение для площади поверхности отдельностей в виде

S ■姦 Г(1 - 1/п) Г(1 + 1/几),/(9.30)

где п - дисперсионный параметр распределения Розина - Рам- млера.

Полностью процесс выщелачивания металла с поверхности отдельностей происходит за время t .24(1 • 3”3”/2

°00(1 - S) P^cIa^p

Суммарное количество металла, выщелоченное из блока к моменту времени f, с учетом продуктивного раствора, поступающего из трещинного, микротрещинного и микропорового пространств, составляет

Рис. 9.3. Зависимость степени извлечения меди от времени：

М(£) ■ мм + ю + “⑺.М(£) ■ мм + ю + “⑺.(9.31)(9.31)/ - установка подземного выщелачивания на руднике Сан-Доминго; 2 - расчет по модели

М(£) ■ мм + ю + “⑺.

М(£) ■ мм + ю + “⑺.

(9.31)

(9.31)

Применим полученную расчетную модель для описания процесса подземного выщелачивания меди в условиях, близких к условиям промышленного выщелачивания этого же металла на руднике Сан-Доминго (Португалия) [24]. Расчетная и экспериментальная зависимости представлены совместно на рис. 9.3 (Мо * р&Р - общее количество металла в блоке). Оценки проводились при ам » 7,5 е 10'3; Рр ■ 0,05; р° « 2800 кг/м3; М - 10'3 кг/м-с; <х> - 0,1 м; ДР/Я н 104 кг/м2-с^ Rm ■ -3-105 с/м; Ьт = 10 3 м; S ■ 0,9; 5к = 0,5.

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 пространства.

Сравнение расчетной и экспериментальной кривых на рис. 9.3 демонстрирует возможность использования разработанной расчетной модели для оценки основных параметров подземного выщелачивания металлов без привлечения дополнительных эмпирических параметров.

9Л. ИНЖЕНЕРНАЯ ОЦЕНКА ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

Рассматривая стадию вымывания раствора из отрабатываемого блока/ будем представлять проницаемое пространство рудной ма^сы в виде совокупности промежутков между отдельностями (трещинное приближение) и микропорового пространства собственно горной породы, которое будем описывать в дальнейшем с помощью капиллярной модели (радиус капилляра -厶)・ Скорость 309

выщелачивания металла, расположенного на поверхности отдельностей и в объеме, определится количественными характеристиками течения рабочего тела соответственно в трещинном и микропоровом пространствах.

Массовое количество металла, выщелачиваемого с поверхности отдельностей, составляет

М = рЛос Sv<63>/<i2>,

т 3 F м У м м '

где Sy - общая площадь поверхности отдельностей в объеме У； угловыми скобками отмечены средние значения заключенных в них величин.

С учетом (9.30) получаем

AG = 16роан<Й>УГ(1 - 1/п) Г(1 + 1/п)/3<хХ^>.(9.32)

Относительное количество металла, содержащегося в объеме породы» составляет

М м

一行匚=1 一 行工= Ы6роам<Й> Vra-l/п) Г(1+1/п)/3<хХ^>. (9・33)

Химически активное рабочее тело, контактируя с металлсодержащими включениями, насыщается металлом до концентрации, определяемой временем контакта (при фиксированной концентрации реагента в растворе, его активности, а также конкретной величине растворимости минералов).

Если максимально достижимая концентрация металла в продуктивном растворе составляет С (кг/м3)? то времена полного выщелачивания включений, расположенных на поверхности отдельностей и в объеме, равны соответственно

% = %/(”％),马=^/(ЭД,(9.34)

где ^i и ^2 - соответственно расход раствора в трещинном и микропоровом пространствах подготовленного блока.

В случае безнапорного режима фильтрации путем несложных вычислений получаем величины расходов в виде

g = р乒泳 V/QWff),

{(9 35)

q2 н я(1 - m)pg %中"8阳)、

где Н - высота блока; 7V - коэффициент извилистости индивидуального капилляра; m - пористость массива.

Поскольку расход рабочего тела пропорционален проницае- улости, а проницаемсють разрушенного массива 心 превышает проницаемость собственно горной породы %, получаем: s 《％ и, следовательно, общее время выщелачивания определяется выличиной Т& 310

На основании последней оценки с учетом (9.33)-(9.35) получаем относительное количество извлекаемого металла

(ЛиО + ВиО)Л / < Т1,

Ли1/<х> + Зио厶 5 < f < Т2,(9.36)

где константн

Лко = pgC阳：/ (24pj<x>cc#H，

Лиг н 16<Й>Г(1 + 1/п)Г(1 - 1/м)/3<Й>,

Вт = я(1 - m)pgCQ<rt>Nj (8роамТкЯ), определяются конкретными характеристиками рабочего тела и подготовленной к выщелачиванию горной массы.

Общее время выщелачивания составляет

”16<д^>Г(1 - 1〃)Г(1 + 1/п)"|

т2 = 8роамТЛЯ 1 - /

.3<х><дм>

/ [я(1 - /п)рКо]У>М・

Выражая М через 匕,получаем окончательно

16〈兄 >Г(1 - 1/п)Г(1 + 1/л)"|

Т2 н РоЛм財 1： /

.3<%></>M>J

/ [(1 - m)pgCoknl.

Основной интерес с практической точки зрения представляет временной интервал Xi < / < т2, когда процесс выщелачивания приближается к окончанию и важно иметь оценку выхода металла. Из зависимости (9.36) при f > q следует, что общее количество извлекаемого к моменту времени Е полезного компонента определяется величинами <х> н 厶 а именно: чем выше степень дробления породы, тем больший выход металла наблюдается за фиксированный промежуток времени.

Одновременно с этим уменьшение среднего размера отдельности приводит к увеличению проницаемости рудной массы, а следовательно, увеличению потока рабочего тела в трещинном пространстве. Казалось бы, это должно положительно сказываться на результат выщелачивания. Однако увеличение проницаемости трещинного пространства ведет к уменьшению его наполненности рабочим телом, что затрудняет проникновение растворителя в глубь куска.

Увеличение ki 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 необходимо организовывать фильтрацию раствора так, чтобы при максимально достижимом гидравлическом сопротивлении в промежутках между отдельностями снизить поток в легкопроницаемом трещинном пространстве. Это позволит сблизить времена Ti и т2. На практике к сближению Ti и т2 можно только стремиться, снижая общую (высокую) проницаемость рудной массы (в экономически обоснованных пределах) и увеличивая максимальным образом приницаемость микроканалов'. Этого можно добиться, например, раскрывая микротрехцины 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 химически активного реагента в растворе, соотнося ее со 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 Л^ для достижения в проницаемом пространстве турбулентного движения растворителя. Минимальная физическая скорость течения в трещине для обеспечения турбулентного перемешивания составляет величину

% % 2рИеф/(ре+),

где Re* * 500 - критическое число Рейнольдса для щели.

С учетом последнего соотношения получаем

а - 2Mm ^Ие*/(р£.Я), отсюда

hd * 2м2/пИеф(ре#Л1) и, следовательно, hd в 2g2mRe#/(рефЛ1 - 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 рассматривать установление степени нарушенности 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 нарушенности и способов достижения требуемых структурных характеристик среды при взрыве тесно связано с установлением ее поведения в процессе интенсивного нагружения и деформирования. В свою очередь обстоятельное рассмотрение сложных динамических процессов, протекающих в твердой среде при взрыве, невозможно без установления 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 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 разработка способов управления степенью и равномерностью дробления породы при взрывном воздействии. Здесь важную роль должны сыграть исследования, направленные на дальнейшее совершенствование имеющихся и разработку новых, более прогрессивных методов обследования породных массивов, позволяющих в короткие сроки и с малыми затратами устанавливать начальные характеристики, горного массива и степень его подготовленности кявыщелачиванию' в результате взрыва. Важным направлением исследований в этой области может явиться изучение фильтрационных характеристик разрушенных породных массивов и установление на их основе структурных параметров. Возможность получения данных по проницаемости породного массива с помощью проведения нетрудоемких измерений на отдельных его участках делает метод фильтрационных испытаний высокоэкономичным и удобным при применении в производственных условиях.

Совершенствование технологических принципов извлечения полезного компонента из недр требует развития способов разработки с минимально возможным объемом горноподготовительный и других работ. Представляется весьма перспективным применение для орошения рудной массы высоконапорных скважин, пройденных с поверхности в зону разрушения подземного взрыва.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Адушкин В.В., Каазик П.В. Расчет выхода газообразных продуктов подземного взрыва в атмосферу. - Журнал прикладной механики и технической физики, 1976, № 1, с. 111-120.

Адушкин В.В” Спивак Л. А Утечка газообразных продуктов при геотехнической подготовке горных массивов крупномасштабным взрывом. - ФТПРПИ, 1983, № 6, с. 35-41.

Адушкин В.В., Спивак А.А. Необратимые проявления крупномасштабного подземного взрыва в неоднородной среде. - М.: ИФЗ АН СССР, 1989.

Адушкин ЯЯ, Спивак А.А. Особенности деформирования блочной среды при взрыве. - ФТПРПИ, 1990, № 2, с. 46-52.

Адушкин В.В., Спивак Л.Л. О возможности контроля за проведением подземных ядерных взрывов по остаточным сейсмическим проявлениям. - Физика Земли, 1990, № 12, с. 15-20.

Адушкин В.В., Спивак А.А. Афтершоки подземных взрывов. - Изд. ИДГАН, 1991.

Акселъруд ЛА Теория диффузионного извлечения веществ из пористых тел. Львов, Львовский политехнический институт, 1959.

Алексеенко В.Д. Экспериментальное исследование распределения энерти при контактном взрыве. - Физика горения и взрыва, 1967, № 1, с. 152-155.

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.

Бартлет РВ Кинетическая модель блочного выщелачивания дробленой порфировой медной руды, сюиованная на сочетании диффузии в порах и растворения халькопирита. - В кн.: Гидрометаллургия. - М.: Металлургия, 1978, с. 174-196.

Бронников Д.М., Спивак А.А. Некоторые вопросы управляемого дробления горных пород взрывом. - ФТПРПИ, 1981, № 4, с. 55-61.

Бронников Д.М., Спивак А.А. Перспективы и возможности применения крупномасштабных взрывов в геотехнологии. - ФТПРПИ, 1983, № 1, с. 36-42.

Введенская А.В. Сейсмодинамика. М., Наука, 1984.

Влияние условий взрывания на эффективность разрушения горных пород/ Корнев ГМ, Kpueoutma В.Я., Подозерский 4c и др. - Л.: Нау- ка, 1979.

Гидрогеологические эффекты при крупномасштабных подземных взрывах/ В.В. Адушкин, А.А. Спивак, Э.М. Горбунова. - М., ИФЗ АН СССР, 1990, 40 с.

Губкин КЕ О подобии взрывов. - Известия АН СССР, Физика Земли, 1978, № с. 49-60.

Гудман R Механика скальных пород. - М.: Стройиздат, 1987.

Гупта X, Растоги Б. Плотины и землетрясения. - М.: Мир, 1979.

Движение структурных блоков массива горных пород при динамическом воздействии/ В.В. Адушкин, А.А. Спивак, В.В. Гарнов, В.Г. Спун- гин. - В кн.: Взрывное дело № 90/47. - М.: Недра, 1990, с. 25-30.

Джонсон Г.В., Хаггинс ГХ, Вайолет К.И. Подземные ядерные взрывы. -В кн.: Подземные ядерные взрывы. - М.: Иностранная литература, 1962, с. 11-35.

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.

Добыча урана методом подземного выщелачивания/ В .А. Мамилов, Р.П. Петров, Г.Р. Шушания и др. - М.: Атомиздат, 1980,

Именитое В.Р., Евтропов Н.А., Баранов А.О. Вопросы использования ядерных взрывов при подземной добыче руд. - Горный журнал, 1973, № 2, с. 33-36.

Калабин А,И. Добыча полезных ископаемых подземным выщелачивав нием и другими геотехнологическими методами. - М.: Атомиздат, 1981.

Касахара К. Механика землетрясений. - М.: Мир, 1985.

Крайча Я. Газы в подземных водах.

Крикорьян О.Х. Коррозия и накипеобразование на геотермальных электростанциях при стимулировании месторождения с помощью ядерного взрыва. - В кн.: Геотермальная энергия. М.: Мир, 1975, с. 320-339.

Кузнецов В.М. Математические модели взрывного дела. - Новосибирск, Наука, 1977.

Кузнецов В.М. Термодинамические функции и ударные адиабаты воздуха при высоких температурах. - М.: Машиностроение, 1965.

Кузнецов АМ, Шведов КК Изэнтропическое расширение продуктов детонации гексогена. - Физика горения и взрыва. 1967, № 2, с. 203-210.

Курленя М.В., Опарин КЯ. Некоторые особенности реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне. - ИГД СО АН СССР, 1984.

Лунев Л.И., Рудаков И.Е. Подземные системы выщелачивания металлов. -М.: МГРИ, 1979. - 86 с.

Любутин А.А. (мл)・ Иерархическая модель сейсмического процесса -Изв. АН СССР. Физика Земли, 1987, № 11, с. 43-52.

Мангушев К〃，Приходьков НК Применение ядерных взрывов в нефтяной и газовой промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ, 1968.

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.

Механический эффект подземного взрыва/ В.Н. Родионов, В.В. Адуш- кин, В.Н. Костюченко и др. - М.: Недра, 1971.

Морозов //.6 Математические вопросы теории трещин. - М., Наука, 1984.

Мосинец В.Н, Абрамов А.В. Интенсификация подземного выщелачивания скальных руд взрывом жидкого ВВ. - Горный журнал, 1973, № 10, с. 38-39.

Никифоровский В,С., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1979.

Николае Г., Пригожин Я. Самоорганизация в неравновесных системах. -М.: Мир, 1979.

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.

О поведении среды в зоне разрушения при камуфлетиом 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.

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.

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.

Остин К.Ф., Леонард Г.У. Стимулирование геотермальных скважин С помощью химических взрывов. - В кн.: Геотермальная знергия. - М.: Ми₽> 1975, с. 276-298.，咨

Павлов ММ., Судаков Д.А.Измерение поля массовых скоростей 銀価 взрыве цилиндрического заряда в прессованном NaCI. - В кн.: Взрышкю Двцо № 76/33. М., Недра, 1976, с. 65-74.

Панин В.Е., Лихачев АА, Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск, Наука, 1985.

Пасенник И.В. Характеристика сейсмических волн при ядерных взрывах и землетрясениях. - М.: Наука, 1970.

Родионов ЛЯ., Цветков ВМ Некоторые результаты наблюдений при подземных ядерных взрывах. - Атомная энергия, 1971, вып. 1, с. 31-36.

Родионов В.Н., Сизм И,А., Цветков В.М. Основы геомеханики.- М.: Недра, 1986, 301 с.

Родин Г. Сейсмология ядерных взрывов. М., Мир, 1974.

Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. -М.: Недра, 1975.

Рыбин B.B.t Зисман Л.А. Внутренние напряжения и повреждаемость пластически деформируемых гетерогенных материалов. - В кн.: Физика и механика разрушения композиционных материалов. - Изд. Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, 1986, с. 4-19.

Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы. - Докл. АН СССР, 1979, т. 247, № 4, с. 929-931.

Садовский 'М.А. О распределении размеров твердых отдельностей.- Докл. АН СССР, 1983, т. 269, № 1, с. 69-72.'

Садовский Л/.А., Писаренко В,Ф., Штейнберг В.В. О зависимости землетрясения от объема сейсмического очага. - ДАН СССР, т. 271, № 3, 1983, с. 598-602.

Садовский М4 Сейсмика взрывов и сейсмология. - Физика Земли, № 11, 1987, с. 34-42.

Садовский М.А. О значении и смысле дискретности в геофизике.- В сб.: Дискретные свойства геофизической среды. - М.: Наука, 1989, с. 5-14.*

Садовский М.4, Адушкин ВВ, Спивак А.А, О размере зон необратимого деформирования при взрыве в блочной среде. - Физика Земли, 1989, № 9, с. 9-15.

Седов Л.И. Методы подобия и размерности в' механизме. - М.: Наука, 1967.

Сизое И.А,, Спивак ЛА, Цветков В.М. Поведение среды в зоне разрушения при взрыве заряда ВВ. - ФГВ, 1974, № 3, с. 437-440.

Состояние и тенденции развития кучного и подземного выщелачи* ваиия медных руд за рубежом/ Г.Г. Кириченко, А.С. Вильнянский, М.К. Пименов, И.В. Васильева. - М.: Цветметинформация, 1978, 51 с.

Спивак ЛА. Волны сжатия в твердой среде при взрыве заряда ВВ в воздушной полости. - ФГВ, 1973, № 2, с. 262-268.

Спивак А.Л., Цветков В.М. О взрыве в твердой среде типа горной породы. - ФТПРПИ, 1973, № 5, с. 37-42.

Сырников H.M.t Тряпицын В.М. О механизме техногенного землетрясения в Хибинах. - ДАН СССР, 1990, т. 314, № 4, с. 830-833.

Физика взрыва (Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др.- М.: Наука, 1975.

Химическое и бактериальное выщелачивание медно-никелевых руд / / Э.А. Головко, А.К. Розенталь, В.А. Сидельников, В.М. Суходрев. - Л.: Наука, 1978.

Цветков Е.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.

Цветков ВМ» Сизов И.А., Сырников Н.М. О механизме разрушения хрупкой среды при камуфлетном взрыве. - Физико-технические проблемы разработки полезных искрпаемых, 1977, № 6, с. 48-56.

Шейдеггер АЗ. Физика течения жидкостей через пористые среды.- М.: Гостоптехиздат, 1960.

Шейдеггер Л.К Основы геодинамики. - М.: Недра, 1987.

Anderson AZX A simple technique to detennin the size distribution of nuclear crater fallback and efecta. - Proc. Symp. Eng. Nucl. Exploe., Las Vegas, Nev., 1970, p. 1726-1745.

Archer C.B., Allen NJ. A catalogue о厂 earthquakes in the lake Kariba area, 1959-1968. - Meteorological Services, Salisbary, 1969.

Beers ЛЛ Project Shoal. Analysis of Shoal data on ground motion and containment. Livermore: U.S. Atomic Energycomm., 1965. - 42 p.

Boardman C^R Engineering effects of underground nuclear explosions. - Proc. Symp. Eng. NucE Explos., Las Ve^as, Nev., 1970, p. 43-67.

Growley BJC, Germain LS. Energy released in the Benham aftershocks. -Bull. Sei»n. Soc. Am., v. 61. No 5, 1971, p. 1293-1301.

DavidSlm Р.Я. In-situ leaching of nonferrous metals. - Mining Congress J., 1980, No 7, p. 52-54, 57.

Derlich £ Underground nuclear explosion effects in granite rock fracturing. - Proc. Symp. Eng . Nucl. Exploe., Las Vegas, Nev., 1970, p. 505-518.

Dickey ZXD., Me "Keown E4, Bucknam ЛС. Preliminary results of ground deformation measurements near the Cannikin explosion. - Bull. Seism. Soc. Amer., 1972, v. 62, No 6, p. 1505-1518.

Duncan ЛМ., Witherspoon P.A, Mitchell JR et al. Seepage and groundwater effects ftssociated with explosive cratering. Berkley: Depart Civil. Eng. Inst. Univ, of California, 1972. - 126 p.

Gough D.Lt Gouch W.L Load-induced earthquakes at lake Kariba. -Geophys. J., 1970, v. 21, p. 79-101.

Hansen S.M, Lager 4R How to make are from marginal deposi- ties. - Eng. and Mining J., 1968, No 12, p. 75-81.

Heckman R4 Deposition of thermal energy by nuclear explosives. -Proc. 3rd Plowshare Symp. Eng. Nucl. Exploe.: U.S. Atom. Energy Comm., 1964, p. 289-303.

Kennecott sets sights on nuclear test for in-situ recovery of copper. - Eng. and Mining J.* 1967, No 11, p. 116-121.

Kennedy EM, Miller CE. Underground nuclear explosions.- Washington: U.S. Ccmgress, Office of Technology Assessment, 1989, p. 82.

Mogi 兄 Some discussions on aftershocks foreshocks and earth- guake swarms - the fracture of a sembinfinite body caused by an inner stress oridin and ito relation the earthquake phenomena. - Bull. Earth- guake Res. Inst., 1963, v. 41, p. 615-658.

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.

Rabb 厶 Particle-size distribution study: Piledriver event.- Proc. Symp. Eng. Nucl. Exploe., Las Vegas. Nev., 1970, p. 888-909.

'Rodionov КИ, Spivak A4, Tsvetkov KM Investigation of the filtration prorerties of a rock massif. - Peaceful nuclear explosions. Vienna: Inteniational Energy Agency. 1978, p. 45-54.

Rosenbaum /.A, McKinney W.A. In-situ recovery of copper from sulHde ore bodies following nuclear fracturing. - Proc. Symp, Eng. Explos., Las Ve#as • NevM 1970, p. 877-888.

Short N,M. Effects of shock pressure from a nuclear explosion on optical aad mechanical properties of granodiorite. Report UCRL-7949. Livermore, California: Lawrence Radiat. Lab., 1964, p. 26.

3$m £ A statistical study on the occurence of aftershocks.- Mag.i 1961, v. 30, No 4, p. 523-605.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Результаты модельных исследований деформирования твердой среды при изменении условий взрыва . 5

LL Основные закономерности движения среды при камуфлетном взрыве 5

Влияние свободной поверхности на взрывное деформирование среды16

L3. Деформирование твердой среды при взрыве в воздушной полости25

Влияние начальной плотности энергии во взрывном источнике на деформирование среды 32

Параметры взрывного воздействия в зоне квазиупругого поведения материала среды 36

Соотношения подобия при подземном взрыве 41

Моделирование как метод исследования 41

Особенности моделирования сложных и составных процессов ....43

Общие соотношения подобия при подземном взрыве 46

Основные энергетические соотношения при взрыве в твердой среде

Подобие движения твердой среды при изменении условий взрывания 47 заряда 51

Механические эффекты подземного взрыва в зоне необратимого деформирования среды 56

Оценка размеров зоны разрушения по параметрам движения среды 55

О применимости упругой модели среды при анализе взрыва; . . . .$]

Термодинамические характеристики твердой среды в ближней зоне взрыва 63

Влияние некоторых характеристик взрыва на гранулометрический состав разрушенной среды 70

О влиянии горного давления на характер разрушения твердой среды взрывом 81

Взрыв в уплотняющейся среде 86

Взрыв цилиндрического заряда переменной длины 94

Влияние подземного взрыва на фильтрационные и гидрогеологические харакгериезпки среды *101

Сгруктурные и фильтрационные характеристики нарушенности горных пород в массиве Ю1

Методика определения фильтрационных свойств породного массива, разрушенного крупномасштабным взрывом Ю5

Изменение фильтрационных свойств породного массива в результате подземного взрыва ^q

Влияние взрывного воздействия на проницаемость горной породы】16

45 Оценка нарушенности массива горных пород по результатам фильтрационных испытаний 118

Особенности изменения уровня подземных вод при взрыве126

Особенности деформирования и разрушения при подземном взрыве в среде с искусственными и естественными неоднородностями146

Деформирование твердой среды при экранировании взрывного источника незаполненной щелью 146

Разрушающее действие подземного взрыва в присутствии щелевого 318

экрана . . ■*]52

Закономерности деформирования и разрушения среды при выходе - взрывного возмущения на свободную поверхность 159

Модель динамического разрушения твердой среды с распределенными дефектами 167

Основные представления о деформировании блочных сред 174

Влияние начальной пустотности твердой среды на разрушающее действие взрыва 179

Влияние структурно-тектонического строения среды на механические эффект подземного взрыва. 184

Оценка характеристик структурных нарушений на основе сейсмопрофилирования 184

Несогласованное формоизменение структурных блоков при взрывных воздействиях 197

Особенности деформирования структурных блоков средь】 при подземном взрыве 205

Расчетная модель взрывного деформирования блочной твердой среды , . - 211

О размере зоны разрушения при подземном взрыве в структурно неоднородной среде 219

Релаксационные процессы, вызванные подземным взрывом в блочной среде 226

Методика сейсмического мониторинга локальных участков земной коры •228

Характеристика афтершоков подземного взрыва как сейсмических событий 232

Оценка релаксирующих напряжений в блочной среде . 246

О возможности контроля за проведением подземных ядерных взрывов по остаточным сейсмическим проявлениям 248

Некоторые аспекты применения крупномасштабных подземных взрывов при геотехнической подготовке породных массивов 253

Цели и задачи подготовки породного массива к выщелачиванию . .253

Утечка газообразных продуктов при геотехнической подготовке породного массива крупномасштабным взрывом .255

Особенности сейсмического действия подземных взрывов 264

Применение крупномасштабных взрывов при геотехнической подготовке породных массивов 290

9. Гидродинамические особенности подземного выщелачивания руд, отбитых крупномаспггабным подземным взрывом 294

Основные представления о механизме выщелачивания горной массы 294

Выщелачивание металла с поверхности микротрещин 297

Динамика извлечения полезного компонента из микропорового пространства 300

Определение выходных параметров процесса выщелачивания.....306

Инженерная оценка временных параметров процесса подземного выщелачивания 309

Заключение•

Список литературы ••314

УДК 622.235

Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов.- М.: Недра, 1993.- 319 &: ил.- ISBN 5-247-02515-6

Рассмотрены закономерности деформирования твердой среды при взрывных воздействиях. Приведены фильтрационные и гранулометрические характеристики разрушенной взрывом горной породы, а также новые данные о параметрах и характере протекания релаксационных процессов в геофизической среде, инициированных крупномасштабным взрывом. Охарактеризованы 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」5 7А 043(01) - 932502010300」5 7А 043(01) - 9363-9363-93© в .В. Адушкнн, А А Спивак, 1993© в .В. Адушкнн, А А Спивак, 1993

2502010300」5 7

А 043(01) - 93

2502010300」5 7

А 043(01) - 93

63-93

63-93

© в .В. Адушкнн, А А Спивак, 1993

© в .В. Адушкнн, А А Спивак, 1993

ISBN 5-247-02515-6