ВВЕДЕНИЕ

Для создания материально-технической базы коммунизма и обеспечения высоких темпов развития социалистического производства необходимы устойчивая топливно-энергетическая база и наличие достаточных запасов сырья для черной и цветной металлургии. Научно-технический прогресс в области поисков и разведки новых месторождений полезных ископаемых, в первую очередь нефти и газа, связан с дальнейшим совершенствованием геофизических методов разведки, из которых основным является сейсмор азведк а.

Ежегодно сотни сейсморазведочных партий проводят изыскания в различных районах с целью способствовать открытию новых залежей и оконтуриванию уже известных, увеличению запасов полезных ископаемых, изучению геологической обстановки как в региональном плане, так и на отдельных площадях, подготавливаемых для заложения скважины, горной выработки или крупного инженерного сооружения.

Упругие волны, используемые при сейсмической разведке, создаются преимущественно при помощи взрывов зарядов конденсированных взрывчатых веществ. При взрыве возникает мощный кратковременный единичный волновой импульс. Это облегчает наблюдение за распространением в среде этого импульса и различных волн, образующихся при его прохождении через границы и неоднородности среды. Накоплен значительный опыт преимущественного возбуждения заданного типа упругих колебаний путем управления взрывом, который сохранил свое значение в качестве основного способа возбуждения колебаний в толще пород, несмотря на появление иных способов, основанных на вибрации тяжелой плиты, ударе груза, электрическом разряде и других процессах.

Широко применяются взрывы при исследовании разведочных и эксплуатационных скважин. Эти работы называются простре- лочно-взрывными и включают следующие операции:

перфорацию стенок скважин стреляющими аппаратами — пулевыми и снарядными, а также кумулятивными перфораторами;

перфорацию (простреливание) колонн бурильных или насосно-компрессорных труб;

отбор образцов пород боковыми стреляющими грунтоносами;

прострелы каналов в стенках скважин для отбора проб жидкостей или газов каротажными опробователями пластов;

ликвидацию аварий в скважинах путем разрушения металла, попавшего на забой скважины, или обрыва колонн труб (бурильных, эксплуатационных, обсадных);

разделение пластов в скважине при помощи взрывных пакеров;

разрыв пластов в скважинах пороховыми генераторами давления;

) создание сети сообщающихся трещин в породе, в стенках или забое скважины торпедами (для повышения отдачи или приемистости пластов).

Перечисленные операции органически связаны с геофизическими исследованиями скважин, выполняются зачастую одними и теми же отрядами.

Использование взрывчатых материалов (ВМ) в разведочной геофизике существенно отличается от применения их в других отраслях народного хозяйства либо по своему назначению — создание упругих колебаний при сейсморазведке, либо по условиям применения — в глубоких и сверхглубоких скважинах относительно небольшого диаметра, где температура может достигать 250° С и более при гидростатическом давлении 1500 кгс/м2. В связи с этим в разведочной геофизике применяют взрывчатые вещества (ВВ), средства взрывания (СВ) и взрывное оборудование, отличающиеся от используемых при других видах взрывных работ.

Меняющиеся условия проведения геофизической разведки почти непрерывно создают новые требования к взрывным работам, для решения которых требуется непрестанная работа большого отряда научных работников, конструкторов, испытателей.

Авторы ставили себе цель изложить основы теории взрывных процессов и действия взрывов в среде, принципы, на которых основано применение взрывчатых материалов в разведочной геофизике, охарактеризовать свойства последних, а также назначение и основы устройства приборов и оборудования, используемых при проведении взрывных работ, ознакомить с правильным и безопасным обращением с взрывчатыми веществами. Они избегали вдаваться в описание конструктивных особенностей отдельных приборов, поскольку благодаря интенсивному техническому развитию последние часто видоизменяются. Специалист перед использованием нового прибора обязан ознакомиться с инструкцией по его применению, в которой описаны конкретные использованные узлы, их функционирование, приведены правила безопасности обращения с прибором.

Задача данного учебника — дать инженеру-геофизику минимум знаний, необходимых для активного использования взрывных процессов и взрывчатых веществ в своей практической дея-

дельности, подготовить специалиста для руководства взрывными работами, проводимыми геофизическими партиями и отрядами, и ознакомить его с объемом теоретических знаний, достаточным для успешного освоения новой техники и технологии взрывных работ, связанных с новыми видами взрывчатых веществ, пригодными для использования при высоком гидростатическом давлении или обладающими заданной скоростью детонации, для выбора оптимальной формы заряда или сочетания зарядов, обеспечивающих при прочих равных условиях оптимальное соотношение между величиной отдельного заряда и числом зарядов, необходимых для создания воздействия заданной интенсивности.

При выполнении взрывных работ особое внимание необходимо уделять обеспечению безопасности всех лиц, которым придется иметь дело с взрывчатыми материалами, изделиями из них, приборами. Следует помнить о потенциальной опасности взрывчатых материалов, возможности случайного взрыва при неправильном обращении с ними, что создает угрозу для лиц, оказавшихся в зоне действия взрыва. Успешное руководства взрывными работами в производственных условиях можно обеспечить при условии тщательного изучения и освоения вопросов техники безопасности.

За период, прошедший со времени выхода первого издания учебника, значительно расширились области применения сейсморазведки и прострелочно-взрывных работ, появились новые методы сейсморазведки (метод общей глубинной точки, метод вертикального сейсмического профилирования), получили промышленное применение методы плоского фронта и сейсморазведка поперечными волнами. Использование конденсированных взрывчатых веществ при сейсморазведке на акваториях полностью прекратилось. Здесь как генераторы упругих колебаний теперь применяются пневматические излучатели и другие «невзрывные» источники, например установки газовой детонации. Последние, смонтированные на транспортных средствах, используются также при сейсморазведке на суше. Значительные изменения произошли в технике взрывных работ. В связи с этим авторы существенно переработали учебник. Второе издание дополнено новой главой «Возбуждение сигнала при сейсморазведочных работах на акваториях», описанием «невзрывных» источников сейсмических колебаний, погружателя ЛДШ, новых способов механического заряжания взрывных скважин, прострелочно-взрывной аппаратуры, взрывных пакеров, разработанных за последние годы. Введены параграфы, связанные с видами сейсморазведочных работ, организацией последних, ликвидацией последствий взрывов. Учтены новейшие изыскания в области подводных взрывов.

Одновременно исключены из текста описания ВМ и приборов, утративших значение для геофизических работ, в том числе взрывных машинок реечной и СВМ-2, методики проведения взрывных работ на море и др.

Глава I

ТЕОРИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Общие сведения о взрыве и взрывчатых веществах.Теплота взрыва

Развитие современной техники немыслимо без широкого применения математических методов и средств, использования достижений физики, химии и других отраслей науки и техники при проектировании любого нового оборудования. От лиц, занимающихся созданием новой техники и работающих с ней, требуются понимание специфики реализуемых в ней физических процессов и учет изменения в широком диапазоне условий, в которых она используется. В связи с этим работа с взрывчатыми веществами в современных условиях немыслима без знания законов, определяющих их поведение при хранении и взрыве, в условиях действия на них удара, трения, высоких температур и давления, без учета особенностей взрывных процессов. Теория взрывчатых веществ изучает законы, управляющие их поведением, и дает возможность выбора оптимальных режимов применения ВВ.

Главные преимущества ВВ перед другими источниками энергии заключаются в компактности, транспортабельности и в том, что выделение энергии может протекать за короткие времена, позволяя развивать огромные мощности. Так, при взрыве сферического заряда массой 1 кг и плотностью 1,65 г/см3, который изготовлен из мощного ВВ — гексогена, возбуждаемого (инициируемого) в центре, скорость распространения взрывчатого превращения по веществу (детонация) составляет 8300 м/с. Путь r-радиус заряда, который пройдет детонация, определяется из равенства

4/ лг3 = G/p,

где Сир — соответственно масса и плотность заряда.

Время реализации процесса т = гф ф — скорость детонации).

Мощность Лт (ккал/с), развиваемую при взрыве, можно оценить, зная выделяющееся количество тепла q при взрывчатом превращении 1 кг гексогена:

N = 4лг2р^2)/3.

Для гексогена q = 1320 ккал/кг. Рассчитанная мощность завышена, так как не было учтено время, в течение которого расширяющиеся газы совершают работу. Следует отметить, что она превышает мощность самых больших электростанций мира. Взрывчатые вещества, способные к столь быстрому превращению, н азывают бризантными.

Однако существуют ВВ, превращение которых в газы в рабочем режиме применения — горении протекает медленней. Это пороха, использующиеся в стреляющих, ракетных и других' устройствах (в промысловой геофизике, например, для деформирования металлического корпуса взрывных пакеров или разрыва пласта энергией пороховых газов, получаемых в аппаратах АСГ) (см. гл. VI).

Скорость превращения порохов в газы во много раз меньше, чем бризантных ВВ при детонации. Пороха обычно сжигают в полузамкнутом или замкнутом объеме, чтобы образующиеся газы сообщали нужную скорость (метательное действие) снарядам и пулям, тягу ракетам или обеспечили нужное повышение давления. Большую часть порохов при необходимости можно применять и как бризантные ВВ , заменив поджигание возбуждением детонационного процесса при помощи средств взрывания.

Из бризантных взрывчатых веществ выделяют инициирующие ВВ, практически не имеющие самостоятельного применения и используемые лишь для приготовления средств взрывания. Средства взрывания (капсюли-детонаторы, взрывные патроны, взрыватели, детонирующие шнуры и т. д.) объединяют в специальную подгруппу. Бризантные ВВ, пороха и средства взрывания составляют группу взрывчатых материалов. Как при детонации, так и при сгорании при выстреле, на превращение ВВ в газы накладываются дополнительные условия: для порохов — устойчивое с расчетной скоростью горение при разных давлениях, для бризантных ВВ — чрезвычайно большая скорость распространения превращения по веществу.

Однако взрывчатые вещества способны не только к быстрым превращениям. Если поджечь небольшое количество ВВ обычными средствами и дать ему гореть в атмосферных условиях, не затрудняя отвод газов, то сгорание пройдет медленно и спокойно. На этом основан метод уничтожения негодных ВВ сжиганием, при квалифицированном выполнении достаточно безопасный и удобный. При неправильном сжигании могут возникнуть обстоятельства, при которых горение самопроизвольно перейдет в детонацию с более быстрым превращением ВВ в газы.

Что же такое взрыв? Взрывом называют физическое или химическое превращение вещества, при котором его энергия быстро

переходит в энергию сжатия и движения самого вещества или продуктов его превращения и окружающей среды. Энергия взрыва может быть различной. Выделение химической, электрической, ядерной, термоядерной, тепловой, кинетической энергии, энергии упругого сжатия способно сопровождаться взрывными процессами. Например, при электроискровом способе разрушения материалов используются микровзрывы, источником энергии которых служит электрический разряд, а носителем энергии — продукты испарения и разложения или просто нагрева среды, в которой разряд осуществляется. Взрыв, вызванный разрушением баллонов со сжатым газом, паровых котлов, сосудов высокого давления, также может протекать с большой скоростью и вызывать серьезные повреждения в окружности.

Однако основное значение имеет использование потенциальной химической энергии, которая у многих веществ в определенных условиях (в результате химической реакции) может быстро переходить в энергию сжатых газов. Вещества, способные к таким превращениям, называются взрывчатыми, а взрыв — химическим. В дальнейшем под взрывом, без специальных оговорок, будем понимать только химический взрыв, а все рассматриваемые процессы относить к процессам, протекающим при химическом взрыве.

Взрыв можно характеризовать количеством выделяющейся энергии. Поскольку этот процесс иногда задается параметрами аппаратуры (например, у пневматических излучателей — объемом камеры и давлением сжатого воздуха), нужно уметь определять его энергию. Для пневматического излучателя она равна pV [(к— 1), где р —давление сжатого газа, V — объем камеры (для воздуха к = 1,4), для электроискрового излучателя — UC2[2, где С — емкость, U — напряжение. Энергию химических взрывчатых веществ чаще всего задают теплотой взрыва в килокалориях на килограмм. Естественно, что сравнение источников предполагает перевод энергии из одних единиц в другие (калории в джоули и ДР-)-

В связи с рассмотрением взрыва коснемся процесса, в известной мере противоположного ему, — имплюзиона, который начинают применять в технике. При взрыве заряда ВВ уровень энергии позволяет газам благодаря расширению совершать работу над внешней средой. При имплюзионе вещество среды, окружающей источник, обладает более высоким давлением, чем в самом источнике, и при снятии разделяющей преграды получает возможность устремляться внутрь источника. Такой процесс может стать источником волновых возмущений. Простейший пример имплюзиона — колба электрической лампочки (она вакуумирована), разбиваемая на воздухе. Чем выше давление среды, тем больше энергии может выделиться при схлопывании полости. В глубоких скважинах она становится значительной даже

у малых полостей. Аналогичное явление наблюдается при подводном взрыве, когда происходит схлопывание перерасшири- вшихся продуктов взрыва под действием гидростатического давления. В сейсмике это регистрируется как второй удар взрыва, производимого в водоеме, при достаточной глубине расположения заряда в нем.

Химический взрыв — с амо распространяющееся химическое превращение вещества, протекающее с большой скоростью, выделением тепла и образованием газов, сжатых до высокого давления. Детонация — частный случай взрыва, осуществляемого с постоянной, максимальной для данного вещества скоростью.

Прежде всего нужно оценить энергию (количество тепла) выделяющуюся при взрыве. Реакции бывают двух типов — с выделением тепла (экзотермические) и с поглощением (эндотермические). Теплоты образования молекул — соединений из атомов (теплота образования последних равна нулю) могут быть как отрицательные (на их образование из элементов нужно дополнительно тратить энергию), так и положительные. Выделение тепла у ВВ обычно вызывается реакцией между горючими составляющими и окислителем (кислородом), входящим в его состав. Если ВВ — индивидуальное химическое соединение, то ими будут разные группы в молекуле, если смесевое — то разные вещества, входящие в состав смеси. Их соотношение определяет кислородный баланс вещества. Когда кислорода недостаточно для полного окисления горючей составляющей ВВ — баланс отрицательный. У веществ с положительным кислородным балансом часть кислорода при взрыве остается неиспользованной и непроизводительно теряется. Свойства смесевых взрывчатых веществ можно менять путем подбора соответствующих окислителей и горючих.

Кислородный баланс определяется как недостаток или избыток (в граммах) кислорода, необходимого для окисления или остающийся при окислении 100 г взрывчатого вещества. Для тетранитрометана C(NO2)4 он равен +49, аммиачной селитры NH4NO3 +20, тротила C7H5N3O6 —74, гексогена (CH2N2O2)3 —21,6. Максимальный отрицательный кислородный баланс по определению — у водорода (—794), максимальный положительный — у кислорода (+100).

Примером ВВ, имеющего отрицательный кислородный баланс, может служить тротил — распространенное бризантное взрывчатое вещество. Химическое название его — тринитротолуол,

встречаются названия «тол», «ТНТ». Как видно из структурной формулы

Н-С(|\нОСО

LA

н с

N=0

О

горючие составляющие — атомы водорода и углерода и окислитель — кислород, входящий в состав нитрогруппы (NO2), в молекуле тротила еще не связаны между собой. Исходя из формулы вещества, можно указать, по какому направлению пойдет в нем реакция, какие продукты могут образоваться при этом.

Для тротила реакция взрывчатого разложения имеет следующий вид:

C7H5N3O6 > aCO2 + 6CO + cN2+dH2O+cC . . .

Состав продуктов зависит от условия взрыва и их конечного состояния (степени расширения). У многих взрывчатых систем первыми реализуются те реакции, которые характеризуются максимальным выделением энергии. Так, в веществе, имеющем формулу вида CoHbNcOrf, при сравнительно небольшой нехватке кислорода [tZ < (2а + 6/2)] в первую очередь происходит реакция водорода с кислородом, как наиболее выгодная, поскольку при образовании Н2О на единицу кислорода выделяется 57,8 ккал, а при образовании СО2 — 47,25 ккал (теплота образования СО2 — 94,5 ккал/моль).

Подход к расчету теплоты превращения ВВ, при котором записываются те из возможных продуктов реакции, образование которых обеспечивает ее максимальный тепловой эффект, называют принципом максимальной работы. Расчет в известной мере идеализирует процесс и дает наибольшую точность для систем с положительным или со слабоотрицательным кислородным балансом. В действительности состав продуктов взрыва (ПВ) обычно не отвечает такому расчету. Последнее обусловлено тем, что в ПВ некоторое время после взрыва продолжается взаимодействие и устанавливается равновесие между продуктами реакций, идущих как с положительными, так и с отрицательными тепловыми эффектами. Примером последних служит реакция 2СО2

2СО 4- О2 (—135,4 ккал), 2Н2О 2Н2 -]- О2 (—115,6 ккал) или N2 + О2 2NO (—43,2 ккал).

Для приближенных расчетов систем с отрицательным кислородным балансом можно воспользоваться методом Ле-Шателье, основанным на принципе максимального объема, причем, если объемы одинаковы, то приоритет имеет реакция с большим выделением тепла. Метод наиболее справедлив для определения конечного состояния продуктов взрыва. Преобладающей реакцией считается окисление углерода до СО. Если кислород недорасхо- дован, то он в равной степени расходуется на доокисление СО и Н2. Реакция разложения гексогена в этом случае записывается так:

C3H6N6O6 —► 1,5CO24-1,5CO + 1,5H2O+1,5H2+3N2.

Более точный расчет составов продуктов взрыва выполняется с учетом кинетики и условий протекания реакций. Точность этих вычислений не всегда достаточна из-за отсутствия достоверных сведений о состоянии вещества при высоких температурах и давлениях. Данные о теплоте и о составе продуктов взрыва получают и экспериментально, для чего разработаны и успешно применяются специальные методы исследования взрыва.

Как уже отмечалось, энергию взрыва характеризуют теплотой взрывчатого превращения ВВ. Зная теплоту образования исходных веществ и продуктов взрыва и пользуясь законом Гесса (тепловой эффект процесса зависит не от пути превращения, а от начального и конечного состояния веществ), можно рассчитать теплоту и ряд других параметров взрыва. Такие расчеты могут встретиться и в практике работы инженера-геофизика, поскольку смесевые ВВ и пороха применяются и будут применяться в увеличивающихся количествах.

Выполним расчет дешевой взрывчатой смеси типа игданитов из гранулированной аммиачной селитры с жидким горючим. Для простоты расчета вместо используемых нефтепродуктов — солярового масла или керосина, являющихся смесью веществ, возьмем бензол (С6Н6). Рассмотрим случай, когда взрывчатая смесь задается указанием компонентов и кислородного баланса. Пусть дано, что смесь из бензола и аммиачной селитры должна иметь кислородный баланс —10, иначе у нее для полного окисления 100 г смеси будет не хватать 10 г кислорода. Для начала определим, какой состав должна иметь смесь, чтобы удовлетворить заданию.

С целью упрощения решения представим, что наше ВВ как бы состоит из двух частей — одного из компонентов (в рассматриваемом случае — горючего, поскольку баланс отрицательный), взятого в количестве, обеспечивающем нужный баланс, и смеси заданных веществ нулевого кислородного баланса (последнюю иногда называют стехиометрической). Если к расчетному

количеству горючего добавить такой смеси, доведя общий вес до 100 г, получим состав с заданным кислородным балансом.

Последовательно проведем вычисления.

На окисление молекулы бензола (его молекулярный вес 78)

С6Н6+ 7,5О2 —► 6СО2+ ЗН2О

потребуется 15 атомов кислорода. Соответственно, количество бензола xx, на окисление которого нужно 10 г кислорода, получим из пропорции

(бензол) (требуется кислорода)

78 - 7,5-32== 3,25 г.

—10

Добавив к этому количеству 100 — xv г смеси нулевого кислородного баланса, получим смесь заданного состава.

Перейдем к вычислению содержания компонентов в 96,75 г стехиометрической смеси. Определим избыток кислорода в окислителе. Селитра, разлагаясь, выделяет кислород:

NH4NO3—> 2H2O + N3+1/2O2, причем 80 г окислителя (молекулярный вес аммиачной селитры 80) выделит 16 г кислорода. Реакция между бензолом и аммиачной селитрой в смеси нулевого кислородного баланса запишется в виде

С6Н6+15NH4NO3 —> 6CO2+15N2+33H2O.

Тогда (бензол) (вся смесь) 78 —(784- 15-80)

ж2— 96,75

Следовательно, в 96,75 г смеси будут входить 5,85 г бензола и 90,85 г аммиачной селитры. Таким образом, окончательный состав смеси с заданным кислородным балансом и состав продуктов взрыва, рассчитанный по принципу максимальной работы, будут:

-У-С6Нс + -^КНЛО3 -^ 0,4C024-2,6H20 + 0,31C + 1,1N2.

Не прибегая к расчету, можно было сразу записать содержание в продуктах взрыва свободного углерода, поскольку именно его наличие и будет определять отрицательный кислородный баланс смеси. Поскольку для полного окисления 12 г углерода 12 • 10 требуется 32 г кислорода, 10 г кислорода смогут окислить —^— г 12 • 10

углерода, или ^—— долей моля углерода. Эти соображения

хорошо использовать для проверки правильности сделанных вычислений.

Приготовить подобную смесь весьма просто: нужное количество селитры надо смешать с бензолом. Имея исходные компоненты и зная состав продуктов взрыва, легко рассчитать теплоту взрыва системы. Теплоту образования исходных компонентов и продуктов взрыва находят в соответствующих справочниках. Так, для 1 моля бензола она составляет (в ккал/моль) —8,3, аммиачной селитры +87,4, СО2 +94,51, Н2О +57,8.

Тепловой эффект взрыва Qx заряда в задаче можно определить из уравнения

0,116CeHe+l,13NH4NOg —► 2,6H20 + 0,39C02+1,1N2+0,31C;

0,116 (- 8,3)+ 1,13 • 87,4+ Qx = 2,6 • 57,8 + 0,39 • 94,5.

Он составит 93 ккал/100 г смеси, или 930 ккал/кг.

Объем образующихся газообразных продуктов (в л) можно рассчитать по уравнению реакции путем перемножения числа молей газа на 22,4 (объем граммолекулы). Естественно, что При этом следует учитывать, в каком состоянии находится вещество. Так, углерод (температура возгонки выше 3700° С при атмосферном давлении) не даст газовой фазы, вода, естественно, будет паром. Объем продуктов взрыва, отнесенный к нормальным атмосферным условиям, называют приведенным объемом. В задаче, рассмотренной выше, он составит около 800 л/кг.

Если известны теплота и состав продуктов взрыва, то их температура Твз может быть определена из соотношения Твз = = Q[CV ср, где СуСр — средняя теплоемкость продуктов взрыва (при постоянном объеме) для интервала То—Твз. Существенно отметить, что теплоемкость является функцией температуры.

Таблица 1

Изменение теплосодержания (внутренней энергии) некоторых газов (ккал/моль)

Температура, К

н.

о2 ■

N,

СО

СО2

HsO

с (графит)

300

0,045

0,045

0,045

0,045

0,062

0,054

0,0188

600

1,542

1,646

1,562

1,573

2,534

1,958

0,962

1000

3,591

4,069

3,771

3,826

6,639

4,889

2,839

1400

5,752

6,682

6,199

6,295

11,233

8,239

5,006

1800

8,081

9,407

8,762

8,889

16,087

11,955

—-•

2200

10,555

12,233

11,407

11,560

21,092

15,949

—

2600

13,145

15,124

'14,105

14,278

26,202

20,128

—-

3000

15,829

18,112

16,839

17,029

31,382

24,466

14,894

3600

19,987

22,725

20,993

21,199

39,294

31,114

—

4000

22,828

25,874

23,783

24,003

44,615

35,679

21,364

4600

27,173

30,697

28,007

28,234

52,687

42,537

—

5000

30,118

33,943

30,840

30,971

58,118

70,57

—

Последнее вносит некоторые (чисто технические) усложнения в расчет, поскольку вид зависимости известен. Однако проще воспользоваться готовыми данными по теплосодержанию газов при разных температурах (табл. 1).

Задавшись температурой и зная состав продуктов взрыва, можно найти их теплосодержание и сопоставить его с теплотой взрыва. Сравнение позволит определить характер ошибки, сделанной при выборе температуры. Повторяя операцию, но уже с иной (скорректированной) температурой, можно методом приближений найти температуру взрыва.

Следует заметить, что энергия, выделяющаяся при взрыве, сравнительно невелика: наиболее мощные ВВ имеют теплоту взрыва 1500—1700 ккал/кг. При взрыве 1 кг тротила на воздухе выделяется приблизительно 1000 ккал тепла, при сгорании 1 кг солярового масла — около 11 000 ккал. Но теплота сгорания 1 кг смеси солярового масла с кислородом составит уже только 2400 ккал, а 1 кг смеси солярового масла и воздуха — 670 ккал.

Неоднократно подчеркивалось, что кроме выделения энергии взрыв характеризуется образованием продуктов, находящихся в газообразном состоянии при тех температурах, которые достигаются при взрыве.

Хотя теплота реакции термита

Fe2O34-2Al = Al2O34-2Fe примерно в 2,3 раза выше теплоты взрывного разложения тротила, его горение протекает спокойно; образующиеся продукты, даже при тех температурах, до которых они разогреваются, остаются жидкими. Но стоит только подмочить термит, как картина меняется: тепло превращает воду в пар и горение сопровождается взрывоподобными процессами. У взрывчатого вещества в объеме, занимаемом зарядом, при взрыве сразу образуются сжатые до огромного давления газы — продукты реакции, обеспечивая реализацию выделившейся энергии в форме работы, совершаемой расширяющимися газами.

Создавая взрывчатое вещество, мы, естественно, заинтересованы в том, чтобы при его взрыве выделялось больше энергии и образовывались сжатые газы, способные реализовать энергию нужным образом. Иногда эти требования вступают в противоречие. Так, энергию взрывчатого разложения можно увеличить за счет подбора соответствующих горючих, в частности введения в состав ВВ металлов, например алюминия (теплота образования А18О3 — 399 ккал/моль). Продукты окисления алюминия — твердые вещества. Добавка (до определенного предела) алюминия в состав некоторых взрывчатых смесей способна повышать работоспособность последних. Существуют взрывчатые вещества с повышенной теплотой взрыва, содержащие в своем составе металлы.

Как уже отмечалось, состав продуктов взрыва зависит не только от взрывчатого вещества, но и от условий взрыва: способа 14

инициирования, размеров и конструкции заряда и оболочки, условий среды, в которой проводится взрыв. Если исходные продукты остаются постоянными, а состав продуктов взрыва меняется, то будет меняться и тепловой эффект взрыва, поэтому для некоторых ВВ приводятся разные значения теплот взрыва в зависимости от условий, в которых он осуществляется. В качестве примера в табл. 2 приведен (по данным Шмидта) состав продуктов взрыва тротила (плотность 1,52) при возбуждении взрыва заряда слабым и сильным инициаторами.

Таблица 2

Состав продуктов взрыва тротила

Инициатор

Содержание, моль/кг

С

со.

со

н2О

н2

СИ»

СтиНп

М2

HCN

c2n2

мн4

Слабый

6,6

1,78

18,63

4,25

5,34

0,1

0,9

4,74

1,1

1,2

0,3

Сильный

15

5,3

8,79

7,05

1,69

0,03

0,05

5,2

1,4

0,1

0,9

Чтобы превращение ВВ вследствие начавшейся быстрой химической реакции прошло по всему заряду, процесс должен быть самораспространяющимся. Для этого химическая реакция должна обладать соответствующими кинетическими характеристиками, а выделение энергии — компенсировать неизбежные потери. Скорость реакции, способность к самораспространению, экзотер- мичность, газообразование тесно взаимосвязаны и влияют друг на друга и на границы осуществления взрывного процесса.

В табл. 3 приведены характеристики ряда взрывчатых веществ и порохов, используемых промышленностью.

Таблица 3

Взрывные характеристики некоторых взрывчатых веществ

Наименование В В

Теплота взрыва, ккал/кг

Скорость детонации, м/с

Приведенный объем продуктов взрыва, л/кг

Дымный порох

600

—

280

Бездымные пороха

600—1350

—

750—970

Тротил (р = 1,61 г/см3)

950—1100

7000

750—870

Аммонит №6 (р = 1,15 г/см3) . . .

1020

4500

900

Гексоген (р = 1,65 г/см3)

1320

8400

890 — 950

Нитроглицерин

1480

8000

690

Несколько слов о классификации ВВ. Деление взрывчатых веществ на пороха, бризантные и инициирующие, имеет физическую основу. К этому вопросу мы вернемся ниже, рассматривая особенности горения ВВ.

Кроме классификации по применению, ВВ можно разделять по агрегатному состоянию, а также по условиям изготовления.

До недавнего времени в производственных условиях использовались только твердые, редко жидкие взрывчатые вещества заводского изготовления. Сейчас все чаще ВВ приготавливают на месте их применения путем смешения компонентов, входящих в их состав. Такие ВВ (а они бывают газообразными, жидкими и пастообразными; к последним можно отнести игданит) имеют ряд технологических и экономических преимуществ, позволяя в широком диапазоне и направленно изменять их свойства.

Классификация по агрегатному состоянию обладает определенной условностью: например, тротил — твердое ВВ при применении на дневной поверхности, в глубокой скважине с температурой более 80° С будет жидким.

Кроме того, ВВ, как уже упоминалось ранее, делятся на индивидуальные и смесевые, иногда в особую группу выделяют мощные ВВ.

Физическая и химическая стойкость взрывчатых веществ.Тепловой взрыв

Физическая стойкость ВВ связана с физическими процессами, протекающими при хранении. Испарение компонентов или эк- судация (выделение жидких составляющих), увлажнение и свя занное с этим слёживание сильно влияют на сохранность многих ВВ. Так, например, оксиликвиты — взрывчатые вещества, получаемые непосредственно на месте применения путем пропитки жидким кислородом пористых органических горючих, «живут» ограниченное время из-за интенсивного испарения кислорода. Несколько большие сроки жизни имеют взрывчатые системы на основе жидких четырехокиси азота, тетранитрометана, концентрированной азотной кислоты и других окислителей, обладающих высокой упругостью паров. Все сказанное в полной мере относится и к газовым взрывчатым смесям, применяющимся в незамкнутом объеме.

Эксудация капелек нитроглицерина из динамитов и некоторых порохов резко повышает опасность обращения с ними. Однако подобные случаи при работах с ВВ, используемыми в сейсмической разведке, нечасты.

Большое практическое значение имеет гигроскопичность ВВ, содержащих соли азотной кислоты, — черного пороха (азотнокислый калий) и аммонитов (азотнокислый аммоний). В результате увлажнения за счет влаги, поглощенной из воздуха, у ВВ при слёживании снижается чувствительность к возбуждению взрыва вплоть до отказов и ухудшаются взрывные характеристики. Иногда ВВ слёживаются до такой степени, что даже последующие сушка и измельчение не восстанавливают их начальных свойств. Это может быть вызвано перекристаллизацией увлажненного окислителя, в результате которой после удаления влаги взрывная смесь уже состоит из кристаллов большего размера, чем начальная.

Для защиты от увлажнения патроны аммонитов парафинируются — покрываются тонким слоем парафина или лаками (применяются и пленки из синтетических материалов). С этой же целью аммиачную селитру выпускают в виде гранул с поверхностью, покрытой водоотталкивающими веществами. Такая селитра наиболее удобна для приготовления смесевых ВВ типа игданитов.

Рис. 1. Схематическое изображение энергии активации молекул взрывчатых веществРис. 1. Схематическое изображение энергии активации молекул взрывчатых веществПереходя к химической стойкости ВВ, остановимся на процессах, определяющих разложение их при хранении, — процессах, способных длиться годами без заметного влияния на свойства ВВ. В составе любого взрывчатого вещества есть все необходимое для осуществления реакции. Реакции сопровождаются выделением тепла. У всех практически применяемых ВВ они начинаются только в том случае, если молекулам сообщают энергию (энергию активации), достаточную для приведения их в возбужденное реакционно-способное состояние. Чем ниже стойкость ВВ, тем меньше требуется энергии для его разложения, тем легче вызывается разложение. Если молекулу представить лыжником, стоящим на горе (рис. 1), то потенциальную энергию лыжника Gh можно сравнить с потенциальной энергией ВВ, а дополнительную энергию GEh, которую лыжник затратит^для подъема на барьер, — с энергией активации. Усло

Рис. 1. Схематическое изображение энергии активации молекул взрывчатых веществ

Рис. 1. Схематическое изображение энергии активации молекул взрывчатых веществ

вием спуска с горы будет преодоление барьера, условием начала " реакции — сообщение молекуле энергии активации.

Таким образом, чем труднее возбудить процесс, тем, естественно, меньше вероятность того, что при случайном подводе энергии (удар, трение и т. д.) возникнет нежелательное в этих условиях горение или взрыв.

В любом ВВ непрерывно, хотя и медленно, идет процесс разложения. Если средний уровень энергии молекул в заряде намного меньше энергии активации (иначе вещество не могло бы храниться), отдельные из них способны к реакции. Чем ниже температура, тем меньше таких молекул. В простейшем случае мономолекулярной реакции 1 скорость — количество молекул ВВ, прореагировавших в единицу времени dm/dt — пропорциональна концентрации молекул а и константе скорости процесса М; последняя зависит от температуры Т и энергии активации Еа. Связь величин описывается формулой

dm/dt = Ma ^abexp^ — Ea/RT),(1.1)

где b — предэкспоненциальный множитель; R — газовая постоянная.

Мономолекулярной называют реакцию, для осуществления которой требуется одна молекула.

Если реакция сопровождается выделением тепла, то его количество (с единицы массы) пропорционально скорости реакции. Количество вещества, остающегося в единице объема, по мере развития процесса уменьшается. Как же это все сказывается на применении ВВ?

Известно, что скорость реакции при повышении температуры на 10 °C увеличивается примерно в 2—4 раза. При повышении температуры на 100 °C она может увеличиться в 1000—50000 раз. Следовательно, изменение температуры может привести к тому, что теплоприход (количество выделяющегося тепла) превысит теплоотвод в окружающую среду и возникнут условия для ускорения реакции и теплового взрыва.

В ряде случаев реакции, идущие в ВВ при хранении, сопровождаются образованием химически активных продуктов, к которым, в частности, относятся окислы азота. Для устранения их вредного действия в пороха при изготовлении добавляют стабилизаторы (например, дифениламин), нейтрализующие химически активные вещества. При накоплении активных продуктов могут возникнуть условия для самоускорения реакции, особенно если ВВ хранится в больших количествах и неправильно.

Наибольшую опасность этот процесс представляет при сейсморазведочных работах, когда в качестве бризантных ВВ используется порох, прошедший сроки хранения. Во избежание самовоспламенения пороха должны периодически проверяться на стойкость; частота контрольных проверок зависит от степени пригодности пороха: от одного раза в год до одного раза в три месяца. Анализы следует проводить в специальных лабораториях, а использование (включая и завоз) планировать преимущественно на холодные зимние месяцы, особенно при работе в южных районах.

У взрывчатых веществ, составленных из окислителя и горючего, при хранении между компонентами ВВ могут происходить реакции с образованием более опасных в обращении (более чувствительных) взрывчатых соединений. Вода может ускорять этот процесс. Так, амматолы могут превращаться в более чувствительные химические соединения — тротилаты. В реакции могут принимать участие оболочки зарядов, прежде всего металлические.

Небольшое знакомство с реакциями, протекающими во взрывчатых веществах, позволяет нам рассмотреть тепловой взрыв заряда ВВ. Выполняя работы в глубоких или термальных скважинах, храня ВВ при повышенной температуре на дневной поверхности, следует считаться с тем, что в неблагоприятных условиях оно может самовоспламениться по тепловому механизму. Чтобы разобраться в этом вопросе, остановимся на тепловом взрыве, теория которого детально разработана в Советском Союзе Н. Н. Семеновым, Д. А. Франк-Каменецким, Г. А. Мержановым и другими исследователями.

Как известно, практически при любых условиях хранения во взрывчатом веществе протекает реакция. Однако у ВВ, находящих применение, ее скорость при обычных температурах невелика — в единицу времени реагирует мало молекул. Реакция и вызываемое ею разложение заметно не сказываются на

Рис. 2. Характер изменения температуры заряда со временем в зависимости от температуры окружающей среды

свойствах заряда даже при длительном хранении. Любое используемое ВВ должно удовлетворять этому требованию.Поскольку тепловыделение незначительно, то тепло успевает отводиться в окружающую среду. С увеличением температуры среды, в которой находится заряд, а следовательно, и ТТОТТ О V ХТТЧТ тсвойствах заряда даже при длительном хранении. Любое используемое ВВ должно удовлетворять этому требованию.Поскольку тепловыделение незначительно, то тепло успевает отводиться в окружающую среду. С увеличением температуры среды, в которой находится заряд, а следовательно, и ТТОТТ О V ХТТЧТ тпературы, растут скорость реакций и тепловыделение. Если поместить заряд в среду с более высокой температурой, то до момента полного прогрева основное тепло будет поступать к заряду из окружающей среды, а после завершения прогрева начинается охлаждение ВВ той же окружающей средой, поскольку температура в заряде вследствие собственного тепловыделения становится больше, чем в ней. На начальных

свойствах заряда даже при длительном хранении. Любое используемое ВВ должно удовлетворять этому требованию.

Поскольку тепловыделение незначительно, то тепло успевает отводиться в окружающую среду. С увеличением температуры среды, в которой находится заряд, а следовательно, и ТТОТТ О V ХТТЧТ т

свойствах заряда даже при длительном хранении. Любое используемое ВВ должно удовлетворять этому требованию.

Поскольку тепловыделение незначительно, то тепло успевает отводиться в окружающую среду. С увеличением температуры среды, в которой находится заряд, а следовательно, и ТТОТТ О V ХТТЧТ т

его тем-его тем-у взрывчатых веществу взрывчатых веществлоприхода и теплоотводалоприхода и теплоотводаэтапах теплоотвод осуществляется при незначительной разности температур на поверхности заряда и среды. При больших периодах индукции в ходе саморазогрева максимальная температура устанавливается в центре заряда, откуда отвод тепла наиболее сложен. Схематически процесс изображен на рис. 2 (кривая 1), где участки время прогрева заряда, ВС — время его саморазогрева, 1 х температура окружающей среды. К рассмотрению рис. 2 мы вернемся ниже.

его тем-

его тем-

у взрывчатых веществ

у взрывчатых веществ

лоприхода и теплоотвода

лоприхода и теплоотвода

Поскольку скорость химической реакции относится к единице массы вещества, общее количество тепла будет опреде-

ляться массой заряда. Зная энергию активации, температуру, а также тепловой эффект реакции, можно по формуле (1.1) вычислить теплоприход. На рис. 3 кривой 1 выражен теплоприход за счет химической реакции при разных температурах, а прямыми 2, 3, 4 — теплоотвод в окружающую среду, определяемый уравнением

— dQ = K\TF dx, (1.2)

где Q — количество тепла; К — коэффициент теплопередачи; АТ — разность температур между поверхностью заряда F и окружающей средой; т — время; Т — температура окружающей среды в разных опытах.

Соотношение теплоприхода и теплоотвода определяет характер развития процесса: перейдет он в самовоспламенение или нет; последний случай имеет, два варианта — длительное существование ВВ без заметного изменения свойств, отвечающее обычному хранению ВВ, или разложение,' протекающее с само- разогревом вещества в течение иногда достаточно большого, но ограниченного срока пребывания его в условиях повышенных температур (см. рис. 2, кривые 7, 2). Минимальную температуру среды, при которой данный заряд из конкретного ВВ, конкретных плотности, величины и формы самовоспламеняется в конкретных условиях теплоотвода, называют критической температурой Гкр теплового взрыва. На рис. 3 это температура Т2; когда кривая теплоотвода является касательной к кривой теплоприхода и во всем интервале температур Т^—Т теплоприход превышает теплоотвод (см. рис. 2, кривая 3, температура окружающей среды Т3\

Теплоотвод сильно зависит от коэффициента теплопередачи К, определяющего угол наклона прямых 2, 3, 4 на рис. 3; меняя К, можно увеличить или уменьшить теплоотвод. Пунктирными прямыми показано, как будет изменяться картина, если теплоотвод увеличится (3') (например, за счет более интенсивного движения омывающей заряд жидкости) или, наоборот, уменьшится (3"): в первом случае критическая температура для заряда возрастает, во втором — уменьшается.

В лабораторных условиях тепловой взрыв изучается следующим образом. Заряд (чаще цилиндрический) длиной, равной двум диаметрам (дальнейшее увеличение не сказывается на термостойкости, поскольку условия теплоотвода из центральной части не меняются), помещают в сосуд, где обеспечивают постоянные температуру и условия теплоотвода средой, контактирующей с зарядом, например путем омывания последнего жидкостью, имеющей фиксированную температуру.

На рис. 2 показано изменение температуры в заряде в ходе выполнения опытов по тепловому взрыву; Тг, Т3 — температуры среды в двух разных опытах, причем Т3 — критическая. После прогрева (участок О В) в заряде при температурах окружающей

среды 7\ и Тй происходит медленный подъем температуры за счет тепла химической реакции, идущей в веществе. В опытах, характеризуемых кривыми 1 и 2, повышение температуры не вызывает самовоспламенения, поскольку большая часть вещества к моменту максимального ее роста успевает разложиться. С повышением начальной температуры с первого момента реакция идет быстрее, что ускоряет подъем температуры в заряде. Наконец, при критической температуре саморазогрев приводит к самовоспламенению, так как к мо

менту достижения высоких температур в заряде еще сохраняется достаточное количество вещества. Этому отвечает критический период индукции т *. Таким образом, можно говорить о связи критических значений диаметра, температуры и периода индукции у конкретного заряда в конкретных условиях теплоотвода. При более высоких значениях Т применение заряда происходит уже в надкритическом режиме — заряды во всей этой области с той или иной задержкой обязательно воспламеняются.

Теория теплового взрыва рассматривает условия саморазогрева заряда с учетом отвода тепла в ок-

Рис. 4. Номограмма для оп-Рис. 4. Номограмма для оп-ределения периода индукции самовоспламенения зарядов разных диаметров из взрывчатого вещества ГФГ-2ределения периода индукции самовоспламенения зарядов разных диаметров из взрывчатого вещества ГФГ-2ружающую среду, теплопроводности вещества и тепловыделения в самом заряде, зависящего от параметров его теплового поля и свойств ВВ. Тео-

Рис. 4. Номограмма для оп-

Рис. 4. Номограмма для оп-

ределения периода индукции самовоспламенения зарядов разных диаметров из взрывчатого вещества ГФГ-2

ределения периода индукции самовоспламенения зарядов разных диаметров из взрывчатого вещества ГФГ-2

ретические расчетные формулы получают при совместном решении уравнений теплопроводности и химической кинетики. Построенная на основании , экспериментальных данных номограмма (рис. 4) для одного из термостойких ВВ — ГФГ-2 позволяет определить период индукции самовоспламенения разных зарядов из этого ВВ в зависимости от их диаметров d3 и температуры среды Т. Это важно для использования ВВ в производственных условиях. Обычно же, осуществляя практические работы, пользуются конкретными рекомендациями по температурным пределам применения изделия (заряда). Пунктирными линиями на рис. 4 даны кривые с большим разбросом значений периода индукции и температуры, получаемых в эксперименте.

Если заряд не герметичен, на границы применения влияют гидростатическое давление, а также свойства среды, в которой он находится. Характер влияния индивидуален для разных взрывчатых веществ, так как давление влияет и на развитие реакций в веществе и на растворимость образующихся продуктов.

Вернемся еще раз к рис. 3. Мы ставили опыт при температуре Тг> причем теплоотвод определялся прямой 2. В начальный момент опыта теплоприход равен Q, теплоотвод — нулю (ДТ = = 0) и заряд начинает нагреваться. При нагреве, который в данном случае продолжается до температуры Т41 происходит и рост теплоприхода. Но одновременно значительно быстрее будет увеличиваться теплоотвод. При Т4 они сравняются. Если начать опыт несколько иначе, т. е. предварительно нагреть заряд до температуры Т5 и опустить его в среду с температурой Ту и условиями теплоотвода, характеризуемыми прямой 2, то, поскольку на участке Т4—Т5 теплоотвод больше теплоприхода, заряд охладится до температуры Т4, при которой теплоприход и теплоотвод сравняются.

С увеличением диаметра заряда отвод тепла из его центральной части дополнительно затрудняется и там легче возникают высокие температуры. У больших зарядов критическая температура падает с ростом диаметра, однако параллельно возрастает и период индукции. Так, для состава ГФГ-2 при переходе от диаметра 50 мм к диаметру 20 мм он изменяется примерно с 250 на 3 ч, а температура — с 150 до 180° С. В грубом приближении номограмма рис. 4 пригодна для других ВВ при условии изменения (смещения) значений величин d3 по оси ординат. Последнее нужно делать по результатам 1—2 опытов с конкретными ВВ. Это грубая прикидка, пользоваться которой следует только при отсутствии данных по термостойкости ВВ.

Характеризуя термостойкость, необходимо учитывать такие факторы, как свойства ВВ, геометрию заряда, условия теплоотвода. Так, логично считая, что при прочих равных условиях количество тепла, выделяющегося при разложении 1 кг ВВ, будет больше, чем при разложении 10 г, ошибочно утверждать, что 1-килограммовый заряд будет во всех случаях обладать меньшей термостойкостью. В самом деле, если 10-граммовый заряд представляет собой шар (объем с минимальной удельной поверхностью), а 1-килограммовый — длинный и тонкий, например детонирующий шнур, то картина будет иной. Следовательно, сравнивать разные ВВ по термостойкости следует у одинаковых по массе и форме зарядов и в равных условиях теплоотвода.

Из теории теплового взрыва вытекает ряд требований к складированию ВВ, конструированию изделий, рассчитанных на применение в условиях высоких температур, и другие.

§ 3, Горение взрывчатых веществ

Как известно, существуют две формы быстрого химического превращения — горение и детонация. Они имеют различные скорости распространения и механизмы передачи тепла из зоны реакции к новым порциям ВВ, вступающим в реакцию.

Скоростью горения ВВ называют скорость перемещения фронта границы превращения по взрывчатому веществу 22

в направлении, перпендикулярном к поверхности заряда1. Она измеряется в единицах длины в секунду. Иногда горение характеризуют массовой скоростью, определяемой как количество сгоревшего вещества в граммах на единицу площади сечения заряда за единицу времени (г/см2-с). Процесс зависит от характера химической реакции, протекающей в ВВ, и скорости передачи тепла к новому, прогреваемому слою. Скорость горения в зависимости от условий изменяется в больших пределах (от долей миллиметра до нескольких метров в секунду) даже у одного и того же вещества.

Тепло, поступающее в ходе горения к прогреваемому, подготавливаемому к реакции слою ВВ, передается ему благодаря движению горячих газов (конвекции), теплопроводности и лучеиспусканию. В обычных условиях горение — сравнительно медленный процесс. Если изменить скорость теплопередачи, это сразу же скажется на горении ВВ. Горение лежит в основе использования порохов.

Горение взрывчатых газовых или пылегазовых смесей возможно при определенной концентрации в них окислителя и горючего. Минимальное содержание горючего, при котором смесь способна гореть, называют нижним пределом горючести, максимальное — верхним пределом. Пределы горючести зависят от условий, в которых находится взрывчатая смесь, в частности от диаметра сосуда, температуры и давления. Большое значение могут иметь и добавки к смеси. В табл. 4 даны предельные концентрации по горючести для некоторых газовых смесей.

У смесей горючих газов с воздухом и кислородом при близости нижних пределов верхние сильно различаются. Диаметр сосуда, влияя на величину тепловых потерь при горении,

Таблица 4

Концентрационные пределы горючести газовых смесей

Компоненты взрывчатой смеси

Температура, °C

Объемная доля, %

верхний предел

нижний предел

Водород и воздух

20

72

9

Водород и воздух

400

82

6,3

Водород и кислород

20

93,9

4,65

Пропан и воздух

20

9,35

2,12

Пропан и кислород

20

37

3,1

Метан и кислород

20

59,2

5,4

Нельзя путать это понятие с распространением пламени вдоль поверхности заряда — процессом, имеющим самостоятельное значение и играющим ольшую роль во внутренней баллистике стреляющих систем.

тэтамтэтамприводитприводитЛ В С D ЕЛ В С D ЕРис. 5. Схема горения взрывчатого веществаРис. 5. Схема горения взрывчатого веществаи применение недостаточно чистых продуктови применение недостаточно чистых продуктовизменяет концентрационные пределы и скорость распространения пламени. Так, наблюдаемые скорости распространения горения смеси метана с воздухом в трубках диаметром 2,5 и 10 см составляют соответственно 59 и 110 см/с. Это обусловлено разным соотношением между теплоприходом за счет реакции и теплоотводом через стенки сосудов в этих опытах. Скорость горения зависит также от состава газовой смеси; на нее сильно влияют примеси, присутствующие даже в малых количествах. Если работы ведутся с воздушными смесями, то на скорость горения может влиять изменение влажности воздуха. К таким же резуль-

тэтам

тэтам

приводит

приводит

Л В С D Е

Л В С D Е

Рис. 5. Схема горения взрывчатого вещества

Рис. 5. Схема горения взрывчатого вещества

и применение недостаточно чистых продуктов

и применение недостаточно чистых продуктов

(например, кислорода с повышенным содержанием азота) для приготовления взрывчатых газовых смесей.

При поджигании газовой взрывчатой смеси, помещенной в трубку, продукты сгорания благодаря трению о стенки трубки вызывают неравномерное по сечению движение газа, сопровождающееся увеличением поверхности горения и количества газа, сгорающего в единицу времени. Происходящее при этом сжатие газа сопровождается образованием слабых ударных волн (скачков давления), идущих впереди фронта горения, причем^каждая

последующая, распространяясь по уже сжатому и потому обладающему большей плотностью веществу, догоняет предыдущую. В результате сложения волн давление может подняться до величин, при которых возникает детонация (устойчивый режим распространения химической реакции, в котором передача вызывающей реакцию энергии от слоя к слою происходит не путем

теплопередачи, как при горении, а путем сжатия вещества в ударной волне; подробнее см. гл. I, §5).

Участок разгона горения до детонации зависит от диаметра трубки: чем больше диаметр трубки, тем длиннее участок разгона. Шероховатости стенок увеличивают турбулизацию потока и сокращают участок разгона. Концентрационные пределы, в ко

торых возможен переход горения в детонацию, уже пределов по горению. При соответствующем конструировании разгонных трубок можно обеспечить у многих смесей переход горения в детонацию на участках длиной в несколько десятков сантиметров.

Для того, чтобы лучше понять процессы, протекающие при горении в твердом ВВ, рассмотрим горение заряда, помещенного без зазоров в стеклянную трубку. Схематически картина выглядит следующим образом. На участке АВ (рис. 5) вещество еще не нагревается, поэтому сохраняется постоянная температура То. На участке ВС вещество начинает подогреваться. Тепло в эту зону поступает из зоны горения DE, оно может пополняться

теплотой химической реакции, протекающей в конденсированной фазе. Для летучих ВВ температура Т й соответствует температуре кипения вещества, у веществ с высокой температурой кипения или даже не имеющих ее (разлагающиеся вещества) — температуре газификации вещества. На участке CD испарившееся ВВ продолжает нагреваться, и температура его поднимается до Та. В нем идет реакция. Участок DE — зона активной химической реакции, в которой заканчивается сгорание ВВ (Т^.

стп горения от давлениястп горения от давленияУстойчивый режим горения достигается тогда, когда выполняется ряд дополнительных условий. Для ВВ, помещенного в трубку и горящего с торца, он возможен в том случае, еслй диаметр заряда будет превышать некоторый минимальный. Кроме характеристик выбранного ВВ, диаметр заряда будет зависеть от материала трубки, температуры и давления, при которых протекает горение. Влияние этих факторов хорошо объясняется, если их связывать с условиями передачи тепла из зоны реакции к подогреваемому слою и с тепловыми потерями.

стп горения от давления

стп горения от давления

устойчивого горения нужно, чтобы неизбежные тепловые потери,

слагающиеся из отвода тепла за пре

делы заряда и в глубь прогреваемого ВВ, компенсировались теплом, выделяющимся при реакции. Если этого нет, процесс

прекратится.

Скорость горения конденсированного ВВ U практически не зависит от диаметра заряда. Ее зависимость от давления для многих ВВ описывается уравнением

(1.3)(1.3)U = А + Вр^,

(1.3)

(1.3)

где коэффициент v близок или равен единице, и изображена на рис. 6.

Значения постоянных А и В зависят от давления, поэтому обычно указывают, в каких пределах формула верна. С ростом температуры скорость горения увеличивается; при повышении начальной температуры на 100° С она возрастает в 1,5—2,0 раза.

Максимальное давление ртах, развиваемое при сгорании порохового заряда в замкнутом объеме при плотности заряжания А (плотность заряжания — отношение массы заряда к объему, в котором он размещен) в интервале 0,1—1,0 г/см3, определяется по формуле ртах = 18 000А1’23. Для А = 0,25 г/см3 оно составит около 3000 кгс/см2.

Стационарное горение осуществляется в условиях, когда образующиеся газы свободно удаляются с поверхности горящего вещества и давление над зарядом не повышается. Если в связи с увеличением газообразования или из-за затруднении с отводом

газов давление будет расти, горение может стать неустойчивым, пульсирующим и способно либо прекратиться (при интенсивном газоотводе), либо перейти в детонацию.

Рассмотрим пример. Пусть трубка заполнена взрывчатым веществом, подожженным с торца. Над горящим ВВ создается давление рг, превышающее давление в окружающей среде р0. Под действием перепада давления рг—р0 продукты сгорания начинают удаляться из трубки, причем чем больше перепад, тем интенсивнее они удаляются.

Газоприход пропорционален скорости горения, также зависящей от давления. На рис. 7 в координатах р (давление) и М

Рис. 7. Соотношение газопри- Рис. 8. Соотношение газоприхода (7) хода и газоотвода при горении и газоотвода (2) при изменяющейся скорости горения ВВ

(массовая скорость горения) показан характер зависимости газоприхода (кривые 1 и 3 — два разных вещества) и газоотвода (кривая 2) от давления, при котором протекает процесс. Если газоприход определяется прямой 7, то на участке р0—рг он превышает газоотвод (кривая 2) и давление в зоне горения, а следовательно, и скорость горения начнут увеличиваться до зна- чёний, определяемых точкой В, в которой газоприход и газоотвод равны. Если поджигание произойдет при более высоком давлении над зарядом, искусственно созданном на короткое время, то начавшееся горение будет протекать при газоотводе, превосходящем газоприход, давление над поверхностью ВВ начнет падать, скорость горения уменьшится до значения, характеризуемого точкой В. В условиях, определяемых этой точкой, при данных условиях опыта ВВ горит устойчиво и с постоянной скоростью. ? Но устойчивость нарушится, если затруднить газоотвод (кривая 2'). Для прямой 3 газоприход во всем интервале- давлений больше газоотвода и горение неустойчиво.

При достижении некоторых пределов по давлению может изменяться не только скорость, но и характер реакции, На рис.8 это соответствует точке В, где газоприход резко возрастает и, начиная с точки С, превышает газоотвод.

Нарушение устойчивости горения происходит следующим образом. Если горит жидкое ВВ, то на его поверхности вследствие турбулизации появляются волны (эффект Ландау), увеличива- 26

ющие поверхность горения и соответственно газоприход. Затрудняют процесс силы тяжести, вязкость и поверхностное натяжение, а также уменьшение размеров сосуда. Условия устойчивости горения формулируются следующим образом: максимальная массовая скорость горения Um (в г-с/см2) не должна быть больше Вр1*1, где р — давление в кгс/см2, а В = 0,25. Этот механизм может наблюдаться и у твердых (в нормальных условиях) ВВ, на поверхности которых при горении образуется слой расплавленного вещества.

Изображенная на рис. 6 кривая газоприхода для твердых ВВ, если последние обладают порами, верно описывает процесс только до определенного давления. При повышенном давлении газоприход зависит и от газопроницаемости заряда. Скорость горения начинает возрастать благодаря тому, что горячие продукты по порам проникают внутрь вещества, поджигая его изнутри, вследствие чего газоприход может превысить газоотвод. У бризантных ВВ это давление обычно достаточно высоко. Процесс может ускоряться еще и потому, что образующиеся газы способны уносить в зону горения частицы ВВ, увеличивая тем самым поверхность горения и количество ВВ, сгорающего в единицу времени. Увеличение поверхности горения за счет дробления горящей шашки также может способствовать ускорению горения. Такие случаи возможны и при использовании порохов в геофизической аппаратуре.

Пути повышения устойчивости горения вторичных ВВ хорошо иллюстрируются на примере нитроглицериновых порохов, сгорающих без перехода в детонацию при давлении (8—20) • 103 кгс/см2. Нитроглицериновый порох состоит из двух ВВ — твердого пироксилина и жидкого нитроглицерина. Неустойчивость горения первого определяется высокой пористостью, второго — турбулизацией поверхности. Нитроглицерин, заполняя поры пироксилина, уничтожает его пористость, а малые размеры пор затрудняют турбулизацию горящего нитроглицерина.

У порохов, используемых в стреляющих системах, изменение величины газообразования во времени регулируют формой заряда и плотностью заряжания. Зная законы горения пороха, можно точно определить газоприход и рассчитать скорости пуль, снарядов, тяговые усилия ракет — различные формы работы, совершаемые пороховыми газами.

Знакомство с особенностями горения позволяет дать физическое обоснование делению ВВ на инициирующие, бризантные и пороха. Главное отличие горения инициирующих ВВ в том, что уже при атмосферном давлении оно становится неустойчивым и переходит в детонацию. Нужны ничтожные доли грамма азида свинца PbN6 для того, чтобы его горение перешло в детонацию. Если увеличить газоотвод, например, сжигая другое инициирующее вещество — гремучую ртуть Hg(CNO)2 в вакууме, то оно может спокойно сгореть.

У вторичных (бризантных) ВВ горение более устойчиво. Переход горения в детонацию у них происходит при давлении от нескольких до сотен килограмм-сил на квадратный сантиметр. Чем ниже давление, при котором происходит срыв нормального горения, тем опаснее ВВ в обращении.

Максимальной устойчивостью обладают пороха. Их режим работы — горение при давлении 1000—10 000 кгс/см2. Но если повысить давление, то и у порохов будет наблюдаться переход горения в детонацию.

Таким образом, давление, соответствующее срыву нормального горения, способно служить тем критерием, по которому можно классифицировать принадлежность ВВ к одному из трех классов — инициирующих, бризантных и порохов.

Условия срыва нормального горения тесно связаны с плотностью заряда, его агрегатным состоянием, размерами частиц вещества, из которого приготовлен заряд, и т. и., поэтому могут служить лишь качественной границей, разделяющей эти три класса ВВ. Так, спрессованная до плотности р0 = 4,2 г/см3 гремучая ртуть способна спокойно сгорать при атмосферном давлении. По-разному идет горение у пористых и сплошных зарядов, изготовленных из одного и того же ВВ. Но для условий, в которых эти ВВ обычно применяются, такое деление их на три группы оправданно и, как правило, выдерживается.

Говоря о горении, мы подразумевали распространение фронта горения внутрь вещества. Распространение горения по поверхности заряда протекает значительно быстрей. При применении пороховых зарядов в изделиях условия поджигания заряда сильно влияют на качество работы аппаратуры. В некоторых конструкциях грунтоносов поджигающие основной заряд горючие газы должны обеспечивать начальное давление в камере порядка 100 кгс/см2. Подобные требования к поджиганию не являются исключительными.

Чувствительность взрывчатых веществ к удару, трению начальному импульсу и быстрому нагреву

Обязательными условиями применения ВВ являются безопасность в обращении и надежность срабатывания заряда. Заряды не должны самопроизвольно взрываться от ударов и трения при перевозке и во время работы, а взрыв должен безотказно вызываться существующими средствами инициирования.

Очень многие химические соединения, обладающие взрывчатыми свойствами, не нашли применения как ВВ только из-за высокой чувствительности, которая делает их опасными в обращении. Но существует ряд химических веществ, обладающих взрывчатыми свойствами, применение которых в основном не связано с использованием этих свойств, например аммиачная селитра — слабое взрывчатое вещество, широко используемое 28

методике на копре.методике на копре.

методике на копре.

методике на копре.

как удобрение. Это вещество также входит в состав многих

взрывчатых веществ, используемых промышленностью.

Чувствительность к удару и трению — свойство, присущее каждому ВВ, может быть понижена или повышена введением

в его состав специальных веществ. Понижение чувствительности

называется флегматизацией, а добавки, снижающие чувствительность, — флегмати- заторами. Повышение чувствительности называется сенсибилизацией, а добавки, повышающие чувствительность, — сенсибилизаторами. Если говорить о чувствительности ВВ, помещенного в изделие (перфоратор, торпеду, корпус снаряда), то во многих случаях оболочка (ее конструкция, материал) может играть существенную роль, увеличивая или уменьшая опасность обращения с ВВ. При этом следует учитывать и такие факторы, как легкость электризации материала, возникновение искры при ударе по нему и ряд других.

Испытание на чувствительность проводят на приборах — копрах (рис. 9, а), сбрасывая груз на навеску ВВ, помещенную в штемпельный приборчик между металлическими цилиндрами (рис. 9, б, в), и находя минимальную высоту, при которой получается 100 или 50% взрывов; наиболее обоснованно последнее определение. Определяя высоту, при которой срабатывает испытуемое вещество (или процент взрывов при фиксированной высоте), можно оценить степень опасности обращения с ним, сопоставив для этого полученные данные с данными по чувствительности хорошо известных ВВ (тротил, гексоген и другие), полученными по этой же

Рис. 9. Прибор для испытания взрывчатого вещества на чувствительность к удару (а), приборчики № 1 (б) п № 2 (в)

Для бризантных ВВ существует так называемая стандартная проба, заключающаяся в том, что процент взрывов определяется при сбрасывании на навеску ВВ, размещенную в приборчике б (см. рис. 9), 10 кг груза с высоты 25 см. Для тетрила, часто используемого как эталон, стандартная проба дает 44% взрывов, для порошкообразного тротила — 28%. Так как в этих Испытаниях возникновение взрыва носит вероятностный характер, то для каждой высоты выполняют большое число опытов, достаточное для статистического обобщения.

Испытание на трение проводится на приборе, позволяющем прикладывать к ВВ касательные воздействия заданной интенсивности. Проба применяется сравнительно редко, и обычно чувствительность ВВ характеризуют только данными испытаний на копре (к удару). В табл. 5 приведены сведения о чувствительности некоторых ВВ к удару.

Таблица 5

Чувствительность взрывчатых веществ к ударупри массе груза 10 кг и высоте его падения 25 см

Наименование ВВНаименование ВВ% взрывов% взрывов

Наименование ВВ

Наименование ВВ

% взрывов

% взрывов

4470—802870—80444470—802870—8044Тэн

4470—802870—80

44

4470—802870—80

44

Гексоген

Тротил (насыпной)

Бездымный порох

Тетрил

Инициирующие ВВ обладают намного большей чувствительностью к удару, чем бризантные.

Теория чувствительности ВВ к удару разрабатывалась многими исследователями. Основные положения теории заключаются в следующем. Процесс начинается с поджигания ВВ. Подожженное ВВ может гореть неустойчиво и в определенных условиях способно детонировать. Для поджигания нужно нагреть его примерно до 350—400° С, причем достаточно ограничиться нагревом небольшой части заряда. Таким образом, возникновение взрыва связано с созданием условий, при которых удар вызывает поджигание ВВ. Эти вопросы были детально исследованы Н. А. Холево.

Удар, динамически сжимая вещество, вызывает его разогрев. Однако для достижения очень высоких температур требуются большие давления. Обеспечивающая детонационное превращение температура ВВ достигается в том случае, если давление при ударе имеет порядок 105 кгс/см2. Для поджигания ВВ требуются намного меньшие температура и давление при ударе. Еще меньшие ударные давления нужны для создания очагов поджигания сжатием газовых включений, обычно содержащихся в порах твердых ВВ, и пузырьков газа в жидких ВВ. Особенно легко сжимаются газовые включения, находящиеся в жидких взрывчатых веществах.

Температура разогрева Т (в градусах Кельвина) газа с исходными параметрами р0 и То при сжатии до давления р в предположении адиабатичности процесса будет:

К-1т = тД^-\ к ,\ РО J

где К = — — отношение теплоемкости при постоянном давле- нии к теплоемкости при постоянном объеме.

Простое вычисление показывает, что для достижения высоких температур достаточно сжатия газа давлением 5—10 кгс/см2. Из этой же формулы следует, что начальное давление, при котором находится ВВ (а следовательно, и газовые включения в заряде), должно влиять на его чувствительность. Механизм возбуждения взрыва поджиганием ВВ газом, нагретым за счет сжатия и находящимся в объеме заряда, многие специалисты не признают: они связывают влияние газовых включений на чувствительность ВВ к удару с особенностями волновых процессов, возникающих при ударе в заряде #с включениями воздуха.

При всестороннем сжатии заряда движения ВВ не будет; если сжатие не всестороннее, может наступить течение вещества. Благодаря градиенту скоростей между В В и оболочкой, а также трению между слоями ВВ разогревается. Чем больше градиент, тем выше (при прочих равных условиях) температура разогрева. Абсолютное значение температуры зависит от коэффициента внутреннего трения вещества и давления. Н. А. Холево показал, что вязкостное трение чрезвычайно сильно зависит от условий, в которых осуществляется течение ВВ.

При испытании на чувствительность к удару в приборчике № 2 (рис. 9) вещество может свободно течь в кольцевую выемку, в приборчике № 1 течение ВВ из-за малых размеров зазора затруднено. Два ВВ, обладающих одинаковой температурой воспламенения, но различной текучестью, при испытаниях на этих приборах поведут себя по-разному. Текучее вещество в приборчике № 2 легко и при малых давлениях будет вытекать в кольцевую полость, коэффициент внутреннего трения из-за отсутствия высокого давления не возрастает, температура не поднимется. В приборчике № 1 при движении вещества в узкие зазоры возникнет высокое давление и повысится температура, хотя само движение будет затруднено размером зазора. Для малотекучего ВВ течение в приборчике № 1 станет вообще невозможным, а в приборчике № 2 в силу большого внутреннего трения оно будет сопровождаться разогревом.

Вводя в состав ВВ различные добавки, можно изменить его свойства и чувствительность к удару.

Высокую температуру может дать трение друг о друга твердых тугоплавких примесей (например, частиц песка), находящихся в ВВ, а также элементов оболочки заряда или посторонних предметов, вводимых в В В, например при резке или разбуривании. Возникновение таких «горячих» точек может быть причиной поджигания заряда. Для этого нужно, чтобы частицы, на гранях которых возникают высокие температуры, обладали достаточно высокой температурой плавления. Если вещество плавится при низких температурах, то «горячая» точка не может

возникнуть, поскольку тепло будет расходоваться на увеличение количества расплавленного материала, а не на повышение температуры у образовавшейся жидкости (для этого нужны очень высокие давления — повышению температуры плавления на 1° С отвечает увеличение давления над веществом на 200 кгс/см2). Однако, говоря о чувствительности, влияние каждого из этих факторов следует рассматривать в комплексе с другими, поскольку могут создаться условия, в которых действие по одному механизму, например поджигание за счет вязкостного трения, будет противоположно действию по другому — поджиганию по механизму «горячих» точек на гранях примесей.

Для всесторонней проверки безопасности обращения с изделиями, содержащими ВВ, их иногда испытывают, сбрасывая с различной высоты на плиты или подвергая интенсивной тряске, в условиях, приближающихся к наихудшим, которые могут встретиться на практике. Однако в подавляющем большинстве случаев заключение о пригодности ВВ для практического использования (с позиций безопасности обращения с ними) делают на основании результатов их испытаний на копре. Испытание ВВ на специальных приборах на чувствительность их к трению не нашло массового применения.

Самостоятельное значение имеет чувствительность ВВ к быстрому нагреву (определение температуры вспышки). Как известно, для того, чтобы в результате подвода тепла ВВ загорелось, нужно, чтобы в какой-то части заряда теплоприход обеспечил прогрев заряда до температуры воспламенения. При медленном нагреве это сводится к схемам теплового взрыва, при быстром нагреве до высоких температур — к первоочередному прогреву и развитию процесса в периферийной, прилегающей к теплоносителю части заряда (навески). Температура вспышки очень зависит от условий, при которых подводят тепло, и разные методы исследования одного и того же вещества дают существенно различные результаты. Чувствительность ВВ к нагреву не коррелируется с чувствительностью ВВ к удару. В отличие от удара при поджигании процесс возникает и развивается при нормальном давлении и вероятность возникновения неустойчивого горения меньше.

Чувствительность к начальному инициирующему импульсу позволяет оценивать, насколько легко возбуждается детонация ВВ. Ее определяют величиной минимальной навески инициирующего ВВ, помещаемой на испытуемый заряд и безотказно вызывающей детонацию. Так, взрыв тротила вызывается навесками азида свинца 0,09 г и гремучей ртути 0,36 г.

Обычно для возбуждения детонации достаточно применить капсюль-детонатор, энергия взрыва которого в зависимости от его размера составляет Л—2 ккал. Но чувствительность некоторых ВВ такова, что импульс детонатора оказывается недостаточным и его приходится усиливать взрывом специального 32

заряда — промежуточного детонатора. С таким построением заряда (капсюль, электродетонатор, или взрывной патрон—промежуточный детонатор — основной заряд) на практике встречаются часто. Иногда к ВВ промежуточного детонатора предъявляют дополнительное требование, касающееся скорости детонации, которая в одних случаях должна быть максимальной, а в других — не больше определенной величины. Неправильный подбор ВВ для боевиков может стать причиной плохой работы основного заряда в производственных условиях.

Теория детонации взрывчатых веществ

Рис. 10. Профиль ударной волныРис. 10. Профиль ударной волныПрежде чем остановиться на теории детонации, следует познакомиться с особым видом возмущения, который может возникать и распространяться в среде, — с ударной волной. Ударная волна представляет собой область сжатия среды с резким скачком давления, плотности и температуры на переднем фронте, перемещающуюся со сверхзву

Рис. 10. Профиль ударной волны

Рис. 10. Профиль ударной волны

ковой скоростью. Ударные волны могут распространяться практически в любой среде. Распространением ударных волн можно объяснить тот факт, что взрыв способен вызывать разрушения в окружающем заряд пространстве на больших расстояниях.

Типичный профиль ударной волны показан на рис. 10, где р—р0 — скачок давления, который наблюдается на фронте волны, когда давления в среде от исходного р0 возрастает до р (во фронте волны). Затем в течение периода фазы сжатия АВ происходит быстрый спад давления. Сразу за сжатием идет фаза разрежения ВС. Ударная волна характеризуется еще и тем, что при прохождении вызывает движение среды в направлении своего распространения. Характер изменения скорости среды при прохождении через нее ударной волны аналогичен изменению давления в волне. В фазе сжатия среда движется в направлении распространения волны, в фазе разрежения — в обратном напра- - влении.

3333Ударная волна, распространяясь, растягивается, поскольку передний ее фронт движется со сверхзвуковой скоростью, а

33

33

хвостовая часть (где давление уже мало) — со скоростью, близкой к скорости звука. Ее распространение сопровождается большими потерями энергии на разогрев и разрушение среды. С удалением от источника скорость ударной волны стремится уменьшиться до звуковой, а скорость перемещения вещества в направлении волны (массовая скорость) — до нуля. С удалением от источ

ника ударная волна превращается в акустическую.

В основе всех способов технического применения бризантных ВВ лежит использование детонационного превращения. Попытки объяснить этот процесс предпринимались еще в прошлом столетии. Наиболее удачно это сделал Бертло, предложивший теорию

/23

1

Pi Pi т,-

PoPo To

/

«Г

2 '

3

к

ДТ

Рпс. 11. Схема, используемая для вывода уравнений гидродинамической теории детонацииРпс. 11. Схема, используемая для вывода уравнений гидродинамической теории детонациивзрывной волны, основные положения которой справедливы и сейчас.

Рпс. 11. Схема, используемая для вывода уравнений гидродинамической теории детонации

Рпс. 11. Схема, используемая для вывода уравнений гидродинамической теории детонации

Рассмотрим, как протекает процесс у газовых взрывчатых смесей. Возбуждение их взрыва вызывается сжатием слоя смеси; при быстром сжатии уже сравнительно невысокие давления обеспечат ее разогрев до температур, при которых реакция идет быстро. Сжатие, в частности, может быть вызвано взрывом капсюля-детонатора. Быстрое сжатие ведет к реакции в газовой

смеси, завершающейся в короткое время благодаря высокой температуре. В силу экзотермичности процесса газообразные продукты реакции до расширения имеют более высокую температуру, чем исходная сжатая" смесь. Волна давления начинает

распространяться по соседнему слою газовой смеси, с описанной

выше последовательностью процесс повторяется, проходя по всему объему заряда. Скорость распространения такого превращения — детонация значительно выше скорости горения, так как сообщение энергии новым, вступающим в реакцию слоям вещества ударным сжатием происходит намного быстрее, чем теплопередачей (при горении).

Современная теория детонационной волны (гидродинамическая теория детонации) рассматривает детонацию как движение скачка давления (ударной волны) по заряду, сопровождающееся химической реакцией, энергия которой поддерживает стационарное распространение ударной волны, компенсируя потери.

Предположим, что в трубе сечением S, заполненной газом плотностью р0, давлением р0 и температурой То, в момент времени т = 0 начал двигаться поршень со скоростью со (рис. 11). За время т поршень переместится на расстояние сот. Возникшая перед поршнем ударная волна распространяется по невозмущенному газу со скоростью D и к моменту т будет находиться в точке 3. Граница 3—3 отделяет сжатый газ с параметрами рх. Pi и Т^ находящийся между поршнем и передним фронтом ударной волны (на участке 2—3 трубы), от невозмущенного газа.

Определим, как будут изменяться параметры газа при прохождении ударной волны. Для этого воспользуемся законами сохранения массы, количества движения и энергии.

Закон сохранения массы. Масса газа до и после сжатия ударной волной не изменяется. Масса несжатого газа равна p0Z)5r, после сжатия — рДП — со)5т:

P0DSt = pi ф — со) 5т;

p0D = рт ф — co).(L4)

Из этого соотношения

ю = .О^-Ро.(1.5)

Pi

Ро н Р1> илиЗаконНьютонаРо н Р1> илиЗаконНьютонаТак как р = 1/F, где V — удельный объем (объем единицы массы), то, подставив в формулу (1.4) соответствующие значения получим

Ро н Р1> или

Закон

Ньютона

Ро н Р1> или

Закон

Ньютона

(L6)

(1-7)

D = ЮУдКУд-Уф(1-8)

сохранения количества движения. По второму закону импульс силы равен изменению количества движения.

Начальная скорость движения газа равна нулю, следовательно, изменение количества движения равно р02)го5т. Приравнивая его к импульсу действующей силы (pi—р0)5т, получим

Р1 — Ро = рф®

или

Pi— Po = DtolVg.(1.9)

Из соотношений (1.7) и (1.9)

, Рг-Р^^^-У,.)(1.10)

и

^-(Pi-Po)^»-^),(ЫОД

а из соотношения (1.10)

ПР ._ Т/2 Р1 РО

При рассмотрении весьма сильных и особенно детонационных волн значением р0, которое мало по сравнению с рг, практически всегда можно пренебречь. Формула (1.9) позволяет рассчитывать давление на фронте детонационной волны, так как величины Ро, D и го могут быть сравнительно просто определены

3*35

экспериментально, в то время как замер давления встречает большие трудности.

Закон сохранения энергии. Примем, что система изолирована и потерь энергии нет. В нашем случае это не вносит ошибки, так как процесс протекает за очень короткое время. Тогда работа, произведенная над газом, должна быть равна изменению его полной энергии. Полная энергия слагается из внутренней (тепловой) и кинетической. Обозначим через Ео и Ех начальную и конечную внутренние энергии единицы массы. Кинетическая энергия единицы массы будет со2/2. Полное измерение энергии сжатого газа равно изменению внутренней и кинетической энергий p0Z) (,EV — Ей + co^Sr, так как в начальный момент скорость движения газа со = 0. Это изменение вызвано действием силы pvS на участке сот:

PV^St = p0D (Е^ — Ео + <о2/2) St;

p1to = PgD(E1— Kq-T со2/2).

Законы сохранения массы и количества движения одинаковы как для ударной волны, так и для детонационной. Но поскольку при детонационном процессе выделяется дополнительная энергия q — удельная теплота взрыва, то для идеального газа к тепловой части внутренней энергии единицы массы Ед = суТд (где cv — удельная теплоемкость при постоянном объеме) следует в случае детонационной волны добавлять q;

Ед = СуТ 0+ q.

Для идеального газа внутренняя энергия единицы массы

E = pVKK-Y\ а внутренняя энергия единицы объема

Ег = рЦК— 1).

Из формулы (1.9) можно найти значения р в детонационной волне и, пренебрегая р0, определить внутреннюю энергию единицы объема в детонационной волне Еуд

Еуд = РдПю/(К — 1).(1.12)

Воспользовавшись приведенными выше уравнениями, можно получить

E1-Eg=Pl±^(Vg-V1Y(1.13)

Для вещества с известными термодинамическими свойствами удельная энергия может быть выражена функцией от р и К. Подставив значения Ей и Ех в уравнение (1.13), получим уравнение кривой, связывающей величины р и V и проходящей через 33

точку р0, Уо. Эта кривая называется ударной а д и а б а той или адиабатой Гюгоньо.

Для идеального газа, когда

уравнение адиабаты Гюгоньо имеет вид Vo рг _(£ГЭЛ±И^11£1 Г1 ро(К— 1) ?i+ (К + 1) ро

или

Pi _ (К + 1) Pi—(g — 1) Ро

Ро (Х+1)Ро-(^-1)Р1 ‘ х ’

Адиабата Гюгоньо представляет собой геометрическое место точек, которые получаются из исходного состояния рй, У0 путем однократного сжатия среды ударными волнами разной интенсивности К При сжатии имеют место необратимые потери: чем оно сильнее, тем больше возрастает энтропия газа.

В отличие от ударной адиабаты Гю

гоньо при изменении состояния по адиабате Пуассона (pVK = = const) процесс протекает при постоянной энтропии.

Считая, что р0 мало по сравнению с ръ можно получить сле

дующие соотношения:

(1.15)

(1-16)

Предельное увеличение плотности газа в сильной ударной волне определится соотношением

р1/р0 = (А+1)/(А-1). (1.17)

На графике рис. 12 показаны ударная адиабата 1 и адиабата Пуассона 2 для двухатомных газов. Пунктирная прямая 3 показывает предельное изменение плотности в сильных ударных волнах, достижимое при ударном сжатии.

Гидродинамическая теория детонационной волны. Как уже говорилось ранее, детонационная волна отличается от ударной тем, что в ней осуществляется химическая реакция, в ходе которой

Не следует думать, что при сжатии ударной волной газ проходит все промежуточные точки ударной адиабаты от/?0Г0 до Р1Уг. В действительности он скачком переходит из состояния р0Г0 в состояние у^Г,. В этом смысле название «ударная адиабата» неудачно.

внутренняя энергия газов возрастает. В некоторых случаях можно принять, что скорость реакции обеспечивает практически мгновенное превращение вещества из одного состояния в другое. Однако для получения правильной картины явления учет фактора времени во многих случаях обязателен.

Допустим, что состояние вещества за счет сжатия ударной волной быстро изменится от р0, Vo до рх, V\ (кривая 1 на рис. 13, а). В результате реакции, начавшейся в сжатых газах, выделится тепло и изменится их состав и состояние вещества станет описываться уже другой адиабатой (кривая 2). Проведем прямую 5, соединяющую точки р01 Ро и pv У1е

Рис. 13. Схемы, поясняющие детонационное превращение в веществе

Давления, удельные объемы и скорость детонации связаны между собой следующим соотношением:

(1Л8)

где -^—у- — тангенс угла наклона прямой 3.

Чем круче прямая 5, тем больше скорость детонации, распространяющейся по веществу. В случае установившегося процесса детонации можно утверждать, что и другие промежуточные процессы, протекающие в веществе и сопровождающиеся выделением энергии, осуществляются со скоростью детонации, в противном случае процесс был бы неустойчив. В связи с этим все изменения состояния вещества в ходе химической реакции при стационарной детонации могут протекать только по прямой 3, по которой осуществляется переход с одной адиабаты на другую. Эта прямая называется прямой Михельсона. Ее формула

(1.19)

Рассмотрим, как происходит переход от ударной адиабаты для исходного вещества к адиабате для продуктов реакции (рис. 13, б). Устойчивой детонации будет отвечать прямая Михель-

сона являющаяся касательной (точку касания называют точкой Жуге) к ударной адиабате продуктов взрыва. Любая прямая (например, С А на рис. 13, б), лежащая ниже прямой BDA, не попадает на ударную адиабату конечных продуктов взрыва. Относительно прямых, расположенных выше и являющихся секущими для адиабаты продуктов взрыва, прямая BDA отвечает минимальной скорости детонации. Экспериментально найдено и показано теоретически (Я. Б. Зельдович), что из возможных скоростей детонации осуществляется наименьшая, отвечающая переходу к адиабате продуктов взрыва по прямой Михельсона и касательной к ней. Точка D, в которой завершается химическая реакция в детонационной волне, отвечает полному выделению тепла. Точки на участке прямой BD соответствуют промежуточным адиабатам, описывающим состояние продуктов взрыва с еще не завершившимися реакциями. Но, несмотря на значительное выделение тепла в ходе превращения ВВ, давление во фронте детонационной волны будет больше, чем в точке Жуге, так как за время реакции продукты взрыва расширятся.

Энтропия, достигающая в точке касания максимума, на бесконечно малых участках касательной, примыкающей к точке касания, изменяется на бесконечно малую величину второго порядка. Это значит, что на этом участке ударная адиабата Гю- гоньо совпадает с адиабатой Пуассона. Воспользовавшись этим условием, можно показать, что скорость детонации D равна сумме скоростей движения продуктов взрыва со и местной скорости звука с в продуктах взрыва. В связи с этим на любых участках секущих, расположенных выше касательной, местная скорость звука будет больше D — со и волна разрежения, следующая за ударной волной, догонит и снизит давление во фронте детонационной волны. Этим объясняется, в частности, факт снижения скорости детонации в заряде до нормальной по мере удаления от точки инициирования в том случае, если взрыв вызывался инициатором, обладающим более высокой скоростью детонации, чем вещество основного заряда.

Законы сохранения массы, количества движения и энергии, уравнение состояния и уравнение, которое может быть написано для точки касания адиабат Гюгоньо и Пуассона, дают необходимые уравнения для расчета параметров детонации при условии, что известны начальные параметры газа и теплота взрыва. Из этих уравнений получаем

£*-/2(А2-1)^, (1.20)

где q — удельная теплота взрыва (на моль). Значение К (напомним, что К — отношение теплоемкостей Cp/cv) для трехатомных газов СО2, Н2О составляет 1,28, двухатомных СО, N2, О2

1,4, одноатомных Аг, Не — 1,6.

Однако состав продуктов взрыва в детонационной волне сильно отличается от конечных, в том числе и в силу того, что

J 'они находятся в условиях больших температур и давлений. Это

;создает трудности при расчетах, поскольку значение К оказы-

I ;вается неизвестным. В качестве примера приведены несколько

।найденных экспериментально значений К для продуктов взрыва:

।тротила большой плотности — 1,23, насыпного тротила — 1,24,

!прессованного тэна — 1,21, нитроглицерина — 1,19.

Из теории детонационной волны следует, что давление фронта .в два раза выше давления в веществе в момент завершения реак-

।ции (точка Жуге) и в четыре раза больше давления, которое

!’ ।возникло бы в веществе, если бы оно мгновенно превратилось

। ।в газы. Участок от момента ударного сжатия (фронта) до за-

/вершения реакции, характеризуемый высокими давлениями, на-

I ;зывается химическим пиком. Его существование в настоящее

Iвремя подтверждено экспериментально.

;Решим следующую задачу

В установке газовой детонации для морской сейсмической разведки

используется смесь пропана с кислородом. Рассчитать скорости детонации '(м/с) для стехиометрических смесей кислорода с пропаном.

Реакция с кислородом запишется как

С3Н8+5О2> ЗСО2 + 4Н2О + 9.

*При теплоте образования пропана (газ) 26,1 ккал/г-моль, воды (газ)

।57,8 ккал/г-моль и углекислого газа 94,5 ккал/г-моль теплота взрыва по

। :закону Гесса определится из соотношения

126,1 + 91 — 3-94,5 + 4-57,8

I,юоо

!пли на 1 кг смеси = qx .

I i

' IСкорость детонации при подстановке q (ккал/кг) в формулу (1.20) полу-

| |чим в метрах в секунду путем введения множителя 64,6:

5 = 64,6 /2(№-1) з .

Для продуктов взрыва этой смеси К = 1,28, следовательно, при разбавлении газовой взрывчатой смеси азотом пли другим нейтральным газом ;скорость детонации смеси будет изменяться. В определенных пределах до-

i ■банки нейтрального газа скорость детонации может возрастать, поскольку

: ।увеличение К будет существенней, чем уменьшение q за счет разбавления.

' ।Как и во всех случаях, когда изменение одного параметра вызывает два

Iвзаимно противоположных эффекта (добавка инертного газа уменьшает

Iтепловой эффект взрыва 1 кг смеси и увеличивает показатель политропы),

1задача может быть решена на экстремум.

,У реальных смесей скорости детонации бывают и меньше вы-

:численных по формуле (1.20). Такое поведение взрывчатой смеси

. 1связано с влиянием на процесс диаметра сосуда. Чем сосуд

।больше, тем меньше тепловые потери, полнее завершается про-

Iцесс и, следовательно, выше скорость детонации.

§ 6. Детонация твердых и жидких (конденсированных) взрывчатых веществ

Детонация конденсированных ВВ лежит в основе многочисленных технических методов использования взрывчатых веществ, поэтому важно знать особенности процесса, чтобы не допускать ошибок при выполнении разнообразных работ, связанных с их применением.

Положения гидродинамической теории детонации в принципе относятся и к конденсированным ВВ. Однако расчеты по приведенным выше формулам сильно осложняются отсутствием надежного уравнения состояния продуктов взрыва при тех больших давлениях, которые характеризуют взрыв. Кроме того, механизм быстрой химической реакции, протекающей при прохождении детонационной волны в заряде, в полной мере еще не изучен и, по-видимому, в зависимости от вида вещества можно говорить о существенно различных механизмах возбуждения и хода реакции.

В условиях детонационной волны при давлениях в сотни тысяч килограмм-сил на квадратный сантиметр образовавшиеся газы находятся в особом, сильно сжатом состоянии — их плотность может превышать плотность жидких газов в 2 раза. Обычные уравнения состояния здесь неприемлемы. Л. Д. Ландау и К. П. Станюкович уподобили состояние газов в детонационной волне состоянию кристаллической решетки твердого тела, у которого энергия складывается из упругой энергии, обусловленной взаимодействием между молекулами, и тепловой энергией колебания частиц. Они показали, что не будет существенной ошибкой считать, что в продуктах детонации давление зависит только от плотности, а не от температуры, и предложили уравнение состояния для продуктов взрыва, имеющее вид pVn = const, где п близко к 3.

Экспериментально установлено, что скорость детонации пропорциональна начальной плотности вещества

Z) = M-(1.21)

Для получения D в метрах в секунду для тротила нужно брать А = 4,5 X 105 см4/г-с (при р0 в г/см3)1. Обычно при увеличении плотности индивидуальных ВВнаО,1 г/см3 скорость детонации возрастает на 320—400 м/с.

На основании формулы (1.10) для точки Жуге запишем

Pl Pqу2 ’

v о

Указанное значение А является лишь оценочным; кроме того, оно применимо только к индивидуальным (не смесевьш) ВВ.

пренебрегая рй в силу его малости и заменяя удельные объемы на соответствующие плотности, получим

Рх = D- -M£1_2oL .(1.22)

Считая, что плотность вещества во фронте детонационной волны рх пропорциональна р0 и подставив в формулу (1.22) вместо Дир! соответственно значения Лр0 и Лр0, будем иметь

/фоО h/фоО hР1 = Д^РоМ-ро) = ^3/Т 9Ъ

/фоО h

/фоО h

Обозначив

Pi = Cp».можно переписать в видеPi = Cp».можно переписать в видеполучим

Pi = Cp».

можно переписать в виде

Pi = Cp».

можно переписать в виде

Выражение (1.23)

поскольку Pi = Ар0, ТО Рх = Л2-^ рЗ.

Обозначим

тогда

Zh = £pt(1.24)

В точке касания (точка Жуге) имеет место минимальная из возможных скоростей детонации.

Из формул

Р1 = Z)2po-fcPo) и рх = В^ получаем

52 = 5pf/p0(p1-p0).

Дифференцируя по р2

ДР1 _ В [ро (Р1 —Ро) 4рЗ —р^р0]

Йр1 ” Ро (Р1-Ро)2

и приравняв нулю числитель производной, получим

Ро (Pi- Ро) М~ Р1Ро = О, откуда

3pi = 4p0 и Pj.^-|-Po

илиили

или

или

h = Pi/Po = 4/3.(1.25)

4

Подставив в формулу (1.22) значения Pi = у Ро, будем иметь

Р1=4-ро^2-а-26)

Скорость движения газов позади фронта юD Ji^Po. = 1D.(L27)

1pi 4

Формулы (1.25), (1.26), (1.27) имеютпрактическое значение.

Все входящие в них величины точно определяются или рассчитываются.

Если известно значение скорости детонации для двух значений плотности, то, пользуясь линейным характером зависимости D = / (р), можно экстраполяцией или интерполяцией получить значение скоростей детонации вещества во всем интервале присущих ему плотностей. При известной скорости детонации Dx вещества плотностью 1 г/см3 скорость детонации можно определить по предложенной М. Куком усредненной зависимости

0 = 7)^3500 (р-1).

Существуют два различных режима превращения вещества в детонационной волне. Первый — для однородных систем, обладающих достаточно большой скоростью детонации, когда за счет сильного ударного сжатия вещество прогревается до высокой температуры и его превращение в волне происходит аналогично превращению ВВ при тепловом взрыве, с той лишь разницей, что период индукции, соответствующий температуре, достигаемой при сжатии, мал. Поскольку температура разогрева однозначно связана со скоростью детонации, можно говорить о скорости детонации, ниже которой подобный механизм не осуществляется. Грубо ее можно считать близкой к 7 000 м/с, что отвечает давлению в детонационной волне порядка 200 000 кгс/см2.

Второй режим характеризуется меньшими скоростями превращения вещества в волне. Температура, достигаемая в результате ударного сжатия в веществе, в этом случае значительно ниже; соответственно больше требуется времени для осуществления реакции по механизму теплового взрыва. Но в волне сжимается не только ВВ, но и газ, находящийся в порах; кроме того, за счет трения дополнительно разогреваются поверхностные слои частиц ВВ. Разогрев создает горячие точки и вызывает объемное поджигание заряда.

Осуществление второго механизма предполагает наличие У вещества пористости и требует значительно меньших давлений

43

в волне. Механизм, предложенный А. Я. Апиным, принято называть механизмом взрывного горения в детонационной волне. Он хорошо (хотя и неполно) объясняет особенности детонации пористых ВВ. При «взрывном горении» (нельзя путать его с обычным горением ВВ) ход реакции рассматривается как быстрое горение с поверхности всех частиц ВВ, нагретых ударным сжатием, горение, протекающее в условиях больших давлений и быстро завершающееся. Эта теория объясняет влияние пористости и размеров частиц на возбуждение, а также течение детонационного процесса во многих взрывчатых веществах.

§ 7. Критический и предельный диаметры детонации.Скорость детонации

обнаружено, что скоростьобнаружено, что скоростьРис. 14. Зависимость скорости детонации от диаметра зарядаРис. 14. Зависимость скорости детонации от диаметра зарядаПри изучении детонации различных взрывчатых веществ было

обнаружено, что скорость

обнаружено, что скорость

Рис. 14. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда

Рис. 14. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда

Рис. 15. Схема, поясняющая критический диаметр детонацииРис. 15. Схема, поясняющая критический диаметр детонациидетонации в известных пределах размеров (по диаметру) заряда изменяется. Если диаметр становится меньше некоторого, называемого критическим dKp, то

Рис. 15. Схема, поясняющая критический диаметр детонации

Рис. 15. Схема, поясняющая критический диаметр детонации

детонация невозможна. Диаметр заряда, по достижении которого скорость детонации уже не увеличивается, называют предельным диаметром детонации ^пр (рис. 14).

Объяснение явления было дано советским ученым Ю. Б. Харитоном, который связал условия устойчивого распространения детонации с временем завершения реакции в волне и условиями разброса вещества в радиальном направлении. Пусть по цилиндрическому заряду распространяется детонационная волна, фронт которой к моменту рассмотрения лежит на прямой CD (рис. 15), а участок BD — зона превращения ВВ. Прямая АВ характеризует границу завершения превращения вещества в продукты детонации. Количество времени, необходимого для завершения реакции, зависит от свойств вещества в заряде.

Нормальному завершению реакции мешает разлет в окружающую среду периферийной части заряда из непрореагировавшего или неполностью прореагировавшего ВВ, находящегося под большим давлением. Образующаяся при этом волна разрежения, двигаясь с местной скоростью звука к центру заряда (ее положение на рис. 15 дано пунктирной линией), уменьшает

давление, а следовательно, температуру и скорость реакции в веществе. Если время, в течение которого завершается химическое превращение в детонационной волне, будет больше времени прихода волны разгрузки до центра заряда, то детонационная волна не получит достаточной энергии для поддержания давления во фронте и затухнет. Детонация будет распространяться лишь в том случае, если хотя бы часть вещества успеет полностью прореагировать и тем самым поддержать процесс.

Обозначим тд время химической реакции в сжатом детонационной волной взрывчатом веществе и т — время пробега волны разгрузки до центра. Для цилиндрического заряда ее минимальный путь составит йкр/2. При средней 1 скорости распространения волны разрежения с время пробега т определяется как

т = ^кр/2с,

следовательно, условие устойчивости запишется

И 4Р/2с.

Из теории детонации известно, что с — D — и и и = 1/4Z), откуда с = 3/4Z). Тогда

т2 2dKp/3Z).

Разные вещества при однотипных условиях взрыва характеризуются почти одинаковым временем разлета, но резко различным временем химической реакции. Последнее связано с разными механизмами превращения вещества в детонационной волне.

Критические диаметры детонации отдельных ВВ (заряды без оболочек или в бумажных оболочках) даны в табл. 6.

Таблица 6

Критические диаметры детонации взрывчатых веществ

Наименование В В

Плотность, г/см8

Критический диаметр, мм

Стехиометрическая смесь тетранптрометан — нитробензол . .

1,52

0,05

Тротил литой

1,64

32

Тротил насыпной

1,05

8-10

Тротил прессованный

1,55

2

Тротил, расплавленный при 81° С

Тротил, расплавленный при 200° С

1,47

62

6

Гексоген прессованный

Гексоген насыпной

1,65

2

1,0

2-2,5

Аммиачная селитра мелкокристаллическая ....

1,о

100

1 Скорость будет изменяться в зависимости от изменения свойств вещества по мере развития в нем реакции.

Исследования, выполненные А. Ф. Беляевым, показали, что толщину слоя ЕВ 6, разлетающегося и не участвующего в реакции в детонационной волне, можно оценить по формуле

6 = айкр, (1.28)

где ct для насыпных и прессованных ВВ составляет примерно 0,4, для литых — 0,055.

Однако следует иметь в виду, что в процессе разлета эта часть ВВ может дореагировать в продуктах взрыва, способствуя повышению общей энергии взрыва. Оболочка заряда, препятствуя разлету, уменьшает критический диаметр детонации. Основное значение имеет прочность оболочки. Так, аммиачная селитра, помещенная в бумажную оболочку, детонирует при диаметре заряда 100 мм, в стальной оболочке — при диаметре 7 мм. Критический диаметр заряда, взрываемого в скважине со стенками из непрочных пластичных пород (глины и т. и.), будет больше, чем в скважине, стенки которой сложены скальными породами.

Так как критический диаметр детонации определяется временем, необходимым для завершения реакции во взрывчатом веществе, а этот процесс зависит от химических и физических свойств ВВ, естественно, что и критический диаметр детонации должен зависеть от изменения свойств вещества. Так, прессованный тротил имеет критический диаметр детонации 2—4 мм, литой тротил (при равной плотности с прессованным он обладает закрытой пористостью) — 32 мм, расплавленный при температуре 81 °C — 62 мм. С повышением температуры критический диаметр жидкого ВВ уменьшается: у тротила расплавленного, при температуре 200 СС, он составляет 6 мм. При высоком гидростатическом давлении также увеличивается критический диаметр детонации жидких ВВ. У смесевых ВВ повышение плотности вызывает уменьшение пор и газопроницаемости заряда и увеличение критического диаметра. Наоборот, повышение плотности у мощных индивидуальных ВВ снижает их критический диаметр, так как давление в детонационной волне р ~ р3, ас увеличением степени сжатия растет температура вещества и, следовательно, скорость реакции.

Следует остановиться на понятии «критическая толщина» детонации Акр — детонации плоских слоев ВВ, например слоя ВВ, задавленного в трещину породы. Грубо можно считать, что критическая толщина связана с критическим диаметром детонации соотношением Дкр = 0,7dKp. При работе с жидкими смесями, обладающими малыми критическими диаметрами детонации, бывают случаи, когда поверхность, лишь смоченная таким ВВ, «высушивается» взрывом, т. е. ВВ детонирует и в таком тонком елое.

Знать критические и предельные диаметры очень важно при использовании ВВ. Приведем пример из практики. Тротиловая торпеда, прекрасно подрывавшаяся в скважине, с увеличением

глубины погружения не взорвалась. Объясняется это тем, что до определенной глубины температура окружающей среды не превышала 80° С и заряд из прессованного тротила в этом интервале глубин оставался твердым (напомним, что у прессованного до плотности 1,55 г/см3 тротила критический диаметр детонации около 2 мм); но как только температура превысила 81° С, тротил расплавился и критический диаметр возрос до 62 мм.

Рис. 16. Зависимость скорости детонации от плотностиРис. 16. Зависимость скорости детонации от плотностиДля индивидуальных ВВ скорость детонации при критическом диаметре детонации составляет 0,9—0,95 значения максимальной скорости детонации; для порошкообразных малой плотности она значительно меньше и равна 0,4—0,5 максимальной скорости. Если заряд меньше предельного, изменение скорости детонации зависит и от величины кристаллов ВВ: чем больше кристаллы, тем меньше скорость. Чем прочнее оболочка заряда, тем больше скорость детонации (для ds < dnp).

Рис. 16. Зависимость скорости детонации от плотности

Рис. 16. Зависимость скорости детонации от плотности

С увеличением плотности заряда скорость детонации ВВ возрастает. На рис. 16 показана зависимость (кривая 7) скорости детонации от относительной плотности тротила р/рм, где рм — плотность монокристалла.

У смесевых ВВ, в которых детонационное превращение идет в форме взрывного горения и повышение плотности за определенные границы способно затруднить процесс, зависимость имеет иной характер. Кривая 2 на рис. 16 иллюстрирует изменение скорости детонации от плотности одного из таких веществ у зарядов диаметром 40 мм. От характера оболочки заряда зависит положение максимума на кривой.

Инертные добавки в ВВ по-разному влияют на скорость детонации. В некоторых случаях это связано только с изменением состава продуктов и энергии взрыва. Так, используемый в сейсморазведке с истекшим сроком хранения пироксилиновый порох, будучи залит водой, детонирует с большей скоростью. Однако с введением инертных примесей скорость детонации чаще снижается. Смеси некоторых жидких и твердых В В с инертными примесями, содержащие лишь 7—10% самого ВВ, еще способны детонировать.

Некоторые ВВ в зависимости от условий (в частности, от характера инициирующего импульса) детонируют с разными скоростями. Различают большую и малую скорости детонации. Так, у нитроглицерина большая скорость 7800 м/с, малая — около 2000 м/с. Продукты взрыва в обоих случах различны, следовательно, различны и химические процессы, протекающие в детонационной волне. В процессе превращения ВВ возможен переход малой скорости детонации в большую.

Скорость детонации с высокой точностью измеряют специальными приборами — скоростными фоторегистраторами СФР. Они позволяют фотографировать процесс со скоростью смещения изображения по пленке до 3000 м/с. Зная длину заряда и скорость смещения изображения, по снимку легко определить скорость детонации вещества. Однако такие измерения доступны только специально оборудованным лабораториям.

Для определения скорости детонации в полевых условиях можно воспользоваться методом Дотриша. Этот метод применим практически в любых условиях. К испытуемому заряду в точках С и В (рис. 17) присоединяют отрезок стандартного шнура, скорость детонации которого известна. Шнур укладывается на

ммтонкую жестяную или свинцовую пластину. В точке А заряд инициируется. Распространяющаяся по заряду детонация в точке С передается детонирующему шнуру. В дальнейшем детонация передается на второй конец отрезка шнура

м

м

Рис. 17. Определение скорости де- (точка В^ и по нему идет на- тонацип методом Дотриша встречу детонационному превращению, распространяющемуся по шнуру из точки С. Направление распространения детонации по заряду и шнуру на рис. 17 показано стрелками. Место встречи детонационных волн, движущихся в противоположных направлениях, будет отмечено местным усилением действия взрыва — насечкой на пластине (в точке М). Зная размеры испытуемого заряда СВ, плечи шнура 1Х и Z2 и исходя из равенства времен движения детонационного превращения от точки А по пути АВМ и АСМ, получим

Z

D,DШН-Ошн

фх — скорость детонации испытуемого образца; Вшн — скорость детонации шнура), откуда

г, 7)шн?

Метод Дотриша может быть применен в полевых условиях, что особенно важно при контроле сохранности смесевых ВВ, содержащих легко увлажняющуюся аммиачную селитру.

Передача детонации. Бризантное и фугасное действие взрыва

Большое значение, особенно в производственных условиях, имеет возбуждение взрыва. Для этой цели применяются капсюли- детонаторы и взрывные патроны. Их действие может усиливаться 48

дополнительными шашками ВВ, которые называются иногда промежуточными детонаторами, и даже небольшими зарядами — боевиками. Зачастую условия инициирования усложняются тем, что инициирующий и основной заряды разделены инертной преградой — слоем воды, грунтом, стеной, воздухом. Преградой, правда, тонкой, можно считать корпус капсюля и взрывного патрона. В случаях, когда между зарядами есть разрыв, обычно говорят о возбуждении взрыва передачей детонации через влияние или просто передачей детонации.

н

Рис. 18. Схематическое изображение результатов опытов по передаче детонации

Большое значение имеет понимание механизмов возбуждения взрыва при передаче детонации. Если взять два заряда: первый (активный), подрываемый детонатором, и второй (пассивный), расположенный на некотором расстоянии и взрываемый за счет действия первого заряда, причем разделяющая их среда может обладать любыми свойствами, то взрыв будет называться детонацией через влияние, а расстояние, на котором вызывается детонация, — расстоянием передачи детонации. Оно возрастает с увеличением массы активного заряда и его бризантности, а также с повышением чувствительности и размеров пассивного заряда. При взрывах в трубах и каналах, способных играть роль волноводов, расстояние передачи детонации также увеличивается. Важную роль играют свойства среды, разделяющей заряды: меняя их, можно уменьшать или увеличивать расстояния.

Механизм возбуждения детонации в пассивном заряде при передаче зависит от условий. Им может быть поджигающее действие продуктов взрыва, разлет периферийной части заряда или его оболочки, действие кумулятивной струи, ударная волна, возникающая при взрыве. Остановимся на результатах двух описанных в литературе опытов по передаче детонации.

Один опыт (рис. 18, а) ставился следующим образом. В трубке на разном расстоянии от активного заряда размещался пассивный заряд из гремучей ртути. Во всем интервале участка АВ

4 Заказ 419 49

пассивный заряд взрывался, на участке ВС взрыва не наблюдалось, но трубка разбивалась. На участке CD опять происходил взрыв. Любое размещение пассивного заряда за точкой D сопровождалось отказом передачи детонации. На рис. 18, б приведена зависимость (заимствованная из другой работы) расстояния передачи детонации через воздух к пассивному заряду гексогена разной плотности. Отчетливо наблюдается сильная зависимость расстояния передачи от плотности ВВ, особенно в области плотностей, близких к монокристаллической. Следует заметить, что заряд, пропитанный жидкостью под давлением, по своим свойствам приближается к монокристаллическому, поскольку его пористость ликвидирована попавшей внутрь жидкостью. Этим объясняется трудность возбуждения взрывов зарядов ВВ, находящихся в жидкости на больших глубинах и пропитанных ею.

Но вернемся к рис. 18, а. На участке АВ ударная волна, возбуждаемая взрывом активного заряда, вызывает взрыв пассивного заряда. Однако по мере удаления она ослабевает настолько, что за точкой В уже не вызывает взрыв, а лишь разбрасывает заряд. К точке С ее ослабление становится настолько значительным, что она даже не разбрасывает заряд, благодаря чему двигающиеся вслед продукты взрыва поджигают ВВ, вызывая взрыв. К точке D продукты взрыва охлаждаются и уже не поджигают заряд. Таким образом, в опыте на разных расстояниях наблюдаются два механизма возбуждения взрыва при передаче детонации: на близких — ударной волной, на дальних — поджиганием продуктами взрыва.

Нечто подобное наблюдается и во втором опыте (рис. 18, б). На участке АВ, характеризующем передачу детонации к наименее плотным, насыпным зарядам, расстояние передачи определялось действием продуктов взрыва, подходящих к пассивному заряду и объемно поджигающих его. Если изменить условия опыта и отсечь продукты взрыва (разместив на поверхности пассивного заряда небольшой слой воды), то зависимость приобретает вид кривой DBC — у зарядов малой плотности расстояние передачи уменьшится. Высокой чувствительностью зарядов малой плотности к передаче детонации пользуются в тех случаях, когда нужно обеспечить возбуждение взрыва через преграду, например к зарядам бескорпусного перфоратора ИКС. Тогда в том месте заряда, где возбуждается взрыв, размещают шашку ВВ малой плотности, часто из того же ВВ, облегчая осуществление передачи детонации.

Возбуждение детонации связано с поджиганием или разогревом пассивного заряда ВВ. В случае, если определяющий процесс разогрева связан с ударным сжатием вещества, он требует давления в ударной волне для отдельных ВВ, достигающего 10s кгс/см2. Поскольку для завершения реакции в сжатом и нагретом веществе нужно время, а снижение давления, умень- 50

шая температуру, тормозит реакцию, существенное значение приобретают характеристики ударной волны, возможность усиления ее параметров и распространение волн разгрузки по заряду. Так, можно улучшить передачу детонации, помещая пассивный увеличивая его диаметр и длинушая температуру, тормозит реакцию, существенное значение приобретают характеристики ударной волны, возможность усиления ее параметров и распространение волн разгрузки по заряду. Так, можно улучшить передачу детонации, помещая пассивный увеличивая его диаметр и длинуIlIlп шп шРис. 19. Схема определения давления в пассивном заряде при передаче детонацииРис. 19. Схема определения давления в пассивном заряде при передаче детонации

шая температуру, тормозит реакцию, существенное значение приобретают характеристики ударной волны, возможность усиления ее параметров и распространение волн разгрузки по заряду. Так, можно улучшить передачу детонации, помещая пассивный увеличивая его диаметр и длину

шая температуру, тормозит реакцию, существенное значение приобретают характеристики ударной волны, возможность усиления ее параметров и распространение волн разгрузки по заряду. Так, можно улучшить передачу детонации, помещая пассивный увеличивая его диаметр и длину

Il

Il

п ш

п ш

Рис. 19. Схема определения давления в пассивном заряде при передаче детонации

Рис. 19. Схема определения давления в пассивном заряде при передаче детонации

заряд на стальные пластины, и т. д.

Общую картину передачи детонации иллюстрирует рис. 19, б, где I — активный заряд — заряд патрона, II — корпус патрона, III — разделяющая среда (вода), IV — пассивный заряд. На рис. 19, а в координатах давление р и массовая скорость и дан график, позволяющий определять давление, реализуемое в пассивном заряде после прохождения волной всех преград. Кривая ВАС — изэнтропа продуктов взрыва, кривая 1 — ударная адиабата материала корпуса, 3 — воды, 2 — взрывчатого вещества пассивного заряда. Точка А характеризует состояние продуктов взрыва в детонационной волне, распространя-

ющейся по активному за

ряду. Из условия динамической совместимости давление в материале корпуса и продуктах взрыва должно быть одинаковым. Поскольку по данному графику материал корпуса патрона обладает большей акустической жесткостью, то по набегающим продуктам взрыва пойдет волна сжатия, поднимающая давление в них до значений, характеризуемых точкой В. Распространяясь через корпус, волна выходит в воду — среду с меньшей жесткостью. Расширение ударно-сжатого материала оболочки патрона (кривая BD) можно в приближении рассматривать как зеркальное изображение кривой 1. Точка D (пересечение прямой BD с кривой 3) даст давление и массовую скорость волны, входящей в жидкость. Продолжаем построение и для входа волны в пас

сивный заряд.

Так как акустическая жесткость ВВ заряда выше, чем воды, при набегании волны по жидкости пойдет волна сжатия и давление будет отвечать точке Е. Сопоставив это давление с давлением в волне, вызывающим взрыв, можно ответить, будут ли в рассматриваемом случае обеспечены условия надежного инициирования заряда.

Описанная схема не учитывала потерь, имеющих место при распространении волны в преградах и, естественно, снижающих ее параметры. Пунктирное построение на рис. 19, а показывает, как это должно сказаться на параметрах волны, подходящей к пассивному заряду (точка Е').

Волновую картину в ближней зоне взрыва

3

2

можно связать и ствия взрыва.

Рассматривая о его бризантном зантное действие,

с другими вопросами деи-

действия взрыва, говорят и фугасном действии. Бри- часто называемое дробящим,

связано с характером разрушения объекта,

находящегося от заряда,

в непосредственной близости

и определяется

5

Рис. 20. Проба на бризантность

давлением в ударной волне, при взрыве, иначе говоря,

головной части волны.

максимальным возникающей параметрами

С удалением от за-

ряда дробящее действие быстро уменьшается. Естественно, что чем выше скорость детонации, тем больше давление в волне и

бризантное действие взрыва. Под фугасным действием взрыва подразумевают общую работу, которую могут совершить газы, при взрыве. Оно зависит в первую очередь от энергии взрыва.

образовавшиеся

В Советском Союзе в качестве стандартной пробы на бризантность (ГОСТ 5984-51) принята проба Гесса. Она выполняется следующим образом. На свинцовый столбик 1 (рис. 20) высотой 60 мм и диаметром 40 мм помещают стальную пластинку 2, на которую устанавливают заряд испытуемого ВВ массой 50 г, помещенный в бумажный цилиндрический патрон 3. В верхнюю часть заряда устанавливают капсюль-детонатор 4. После взрыва столбик обжимается — 5. По величине обжатия судят о бризантности, сравнивая полученную бризантность с бризантностью известного взрывчатого вещества, например тротила (по этой пробе заряд тротила дает обжатие 16 мм). Для ВВ высокой мощности заряд иногда уменьшают в 2 раза (до 25 г), но это затрудняет сравнение. Другие методы оценки бризантности носят частный характер.

Образовавшиеся при взрыве газы, расширяясь, совершают работу. Однако только часть энергии реализуется в виде полезной работы. Часть заряда, изменяющаяся в зависимости от его величины, ^ормы, вида В В и условий подрыва, разбрасывается

Рис. 22. Влияние гидростатического давления на относительную работу взрываРис. 22. Влияние гидростатического давления на относительную работу взрыва(химические потери), часть энергии остается в виде тепловой энергии нагретых газов, расширившихся до давления окружающей среды. Остальная энергия расходуется па многочисленные формы работы, многие из которых бесполезны для той цели, ради которой производился взрыв (например, возбуждения упругой волны при сейсморазведке). Полной работой Ло называют сумму работ, выполненных взрывом. Отношение Ло к энергии ВВ, которую можно отождествлять с теплотой взрыва, достигает 0,6—0,7, хотя отношение полезной работы Лп к энергии ВВ? как правило, намного меньше.

Рис. 22. Влияние гидростатического давления на относительную работу взрыва

Рис. 22. Влияние гидростатического давления на относительную работу взрыва

Рис. 21. Определение работоспособности ВВ в свинцовой бомбе

Работа адиабатического расширения газа Ло определяется по формуле

Л = С1-^) = Q С1-Ы^1 (1.29) где 7\ и Т^; рг и р^ — соответственно температуры и давления продуктов взрыва до и после расширения.

Формула позволяет оценить полную работу в зависимости от конечного давления, до которого расширяется газ.

В лабораторных условиях для определения общей работы взрыва используют свинцовую бомбу (бомбу Трауцля) или баллистическую мортиру. Бомба Трауцля (рис. 21, а) — свинцовый цилиндр 3 диаметром 200 мм и высотой 200 мм, имеющий цилиндрическое отверстие диаметром 25 мм, глубиной 125 мм, в которое помещают 10-граммовый заряд ВВ 2. Пространство над зарядом доверху засыпают песком 7.

В бомбе в районе размещения заряда при взрыве образуется полость (рис. 21, б), по расширению которой судят о работе взрыва. Этим методом нельзя получить абсолютные значения работоспособности, но он дает возможность сравнивать работоспособность В В (для мощных ВВ показания завышенные). По данным А. Ф. Беляева и Р. X. Курбангаллиной, на расширение полости бомбы расходуется от ^2 Д° 2/з полной энергии взрыва.

-Изменение расширения свинцовой бомбы в зависимости от гидростатического давления, при котором проводится опыт, для заряда из флегматизированного гексогена иллюстрируется рис. 22, кривая 1. Кривая 2 характеризует расширение бомбы у взрывчатого вещества с меньшей энергией взрыва и с сильно отрицательным кислородным балансом.

Направленное действие взрыва

Рис. 23. Схема разлета продуктов взрыва с поверхности зарядаРис. 23. Схема разлета продуктов взрыва с поверхности зарядаРассмотрим случай, когда выделяющаяся энергия распределяется в окружающем заряд пространстве неравномерно, причем имеются преимущественные по концентрации энергии направления. Начнем с простейшего случая — взрыва цилиндрического заряда, инициируемого не в центре, а с одного из торцов.

Рис. 23. Схема разлета продуктов взрыва с поверхности заряда

Рис. 23. Схема разлета продуктов взрыва с поверхности заряда

На рис. 23 изображена схема разлета продуктов взрыва с поверхности цилиндрического заряда. Несмотря на схематичность, рисунок дает представление о направленном действии взрыва. Инициируя взрыв в точке А, мы создаем детонационную волну, распро

страняющуюся в заряде. Ее положение при распространении показано пунктирными линиями. В момент выхода фронта детонационной волны на поверхность заряда (например, в точку К), осуществляемого по кратчайшему пути (по прямой) из точки инициирования, продукты взрыва будут иметь скорость, изображенную вектором КМ, которая образована скоростью разлета KL и скоростью движения вещества в направлении движения фронта волны KN. Построив эпюру для всех точек поверхности заряда, увидим, что наибольшую скорость имеют газы на поверхности, противоположной точке инициирования, и что против углов заряда находятся зоны ослабленного действия взрыва. В этом легко убедиться, посмотрев на построение, сделанное для угловой точки В, причем в одном случае принято, что точка эта принадлежит боковой поверхности (вектор разлета БЕ}, во втором — торцевой поверхности (вектор разлета BF). В зоне, находящейся между этими двумя векторами, действие взрыва ослаблено.

Следовательно, если нужно получить равномерное во все стороны распределение выделяющейся энергии, инициирование надо проводить в центре шара, направленное распределение — с одного из концов заряда. Меняя форму заряда и точку инициирования, можно повысить эффект действия взрыва в нужном

направлении. Для обычных зарядов это изменение фиксируется главным образом на близких от заряда расстояниях.

Рис. 25. Схема взаимодействия струи с преградойРис. 25. Схема взаимодействия струи с преградойИспользование направленного действия привело к созданию специальных — кумулятивных зарядов (cumulatio — увеличивать, накоплять). Кумулятивные заряды являются основным средством выполнения перфорации скважин. На рис. 24 изображен разрез такого заряда с конической полостью, которую для усиления действия струи обычно облицовывают металлом. Заряд инициируется в точке А, лежащей на оси его симметрии на противоположном от полости конце.

Рис. 25. Схема взаимодействия струи с преградой

Рис. 25. Схема взаимодействия струи с преградой

Рис. 24. Разрез кумулятивного за-ряда

Детонационное превращение, возникшее в точке А, распространяется по заряду. Положение фронта превращения в разные моменты времени показано пунктирными кривыми. Истечение газов, насыщенных металлом, захваченным с внутренней поверхности конуса (если последний облицован металлом), фокусируется на оси конуса. В зоне соударения струй давление повышается, и поток как бы выдавливает из себя вперед по оси плотную струю, обладающую повышенной скоростью (8000—10000 м/с). Оставшаяся часть струи перемещается медленней (в 3—4 раза), причем несет часть металла в виде стержня-песта. Движущийся в хвосте пест не только не усиливает пробивное действие струи, но зачастую, забивая отверстие, уменьшает эффективность прострела. Полость, в которой образуется кумулятивная струя, не должна содержать преград, даже сжатый воздух при давлении 10—20 кгс/см2 уже заметно сказывается на образовании струи. Благодаря градиенту скоростей струя в полете растягивается и сужается и при достижении некоторой критической длины рвется на звенья.

Теория кумуляции впервые нашла математическое описание в работах М. А. Лаврентьева, давшего расчетные формулы для скоростей струи и песта в зависимости от конструкции заряда.

Рассматривая взаимодействие струи с преградой (рис. 25) и считая, что давление струи на дно преграды рс уравновешивается 55.

реакцией со стороны преграды рп, можно показать что скорость пробития преграды уп

1 + (Рп/Рс),/з ’

где ис — скорость струи; рп и рс—соответственно плотности струи и преграды.

Длина пробиваемого канала

^К Д (Рс/Рп) *%

где Zc — длина струи.

Учет прочности преграды усложняет вид формулы. Однако наиболее существенно то, что ряд величин, используемых в рас

четах, может быть получен лишь из опыта. Это, естественно, ограничивает область их применения.

Отработка зарядов осуществляется экспериментальным путем в лабораториях. Характер струи можно изменять, меняя форму воронки, например коническую на параболическую. Для правильного и качественного образования струи первостепен

ное значение имеют точка инициирования, равно

мерность пропрессовки заряда, качество облицовки кумулятивной воронки и ряд других факторов.

Рис. 26. Кумулятивные заряды с вертикальной (а) п кольцевой (6) симметрией

Образование струи завершается на некотором (фокусном) расстоянии от торцевого среза заряда. Фокусное расстояние зависит от углов и размеров воронки, а также рода ВВ. Меняя углы воронок, форму и характер облицовки, можно в широких пределах управлять образованием кумулятивной струи.

Остановимся еще на двух видах зарядов — с кольцевой кумулятивной выемкой (рис. 26, б) и вертикальной выемкой в виде клина (рис. 26, а). Оба они находят техническое применение, в частности для изготовления взрывного оборудования, используемого при прострелочных работах в скважинах. Пробивное действие этих зарядов, особенно с кольцевой кумулятивной выемкой, невелико.

Задачи к главе I

Рассчитать состав смеси, теплоту взрыва, объем продуктов и температуру продуктов взрыва смесей с кислородным балансом 0; 4- 5; — 5, состоящих из окислителя и горючего. В качестве окислителя использовать NH4NO3 (аммиачную селитру), N2Of (четырехокись азота), КС1О4 (перхлорат калия), в качестве горючих — C7H6N3O8 (тротил), C6H6NO2 (нитробензол). Брать любую комбинацию окислителя с горючим.

Определить, пользуясь данными табл. 1, теплоту взрыва тротила при сильном it слабом инициировании.

Рассчитать скорость детонации смесей водород — воздух и метан'— кислород нулевого кислородного баланса, а также положительного (+’ 5) и отрицательного (— 5) кислородного баланса..^(

Определить максимальные давления, которые можно получить в детонационной волне, взрывая заряды из тротила, гексогена, тена.

Определить потери от неполноты срабатывания заряда за счет разбрасывания периферийного слоя при взрыве:

прессованного тротила диаметром заряда 40 мм, плотностью 1,5 г/см3;

литого тротила диаметром заряда 40 мм.

Глава II

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И СРЕДСТВА ВЗРЫВАНИЯ

При геофизических исследованиях для взрывных работ применяются бризантные ВВ, метательные ВВ, инициирующие ВВ и пиротехнические составы.

Бризантные ВВ используют в сейсмической разведке, в зарядах кумулятивных перфораторов и торпед при прострелочных и взрывных работах. Пороха находят применение главным образом в зарядах к пулевым перфораторам, взрывным пакерам и стреляющим грунтоносам, в аппаратах для гидравлического разрыва пласта, инициирующие ВВ — в капсюлях-детонаторах, взрывных патронах и других СВ, пиротехнические составы — в воспламенителях. Газообразные взрывчатые смеси в последние годы с успехом используются при сейсморазведке в так называемых невзрывных источниках.

По составу взрывчатые вещества подразделяют на индивидуальные и смесевые. Индивидуальные В В — это химические соединения, в молекулу которых входит окислитель и горючее. В большинстве случаев это нитросоединения, которые содержат связанные с атомом углерода богатые кислородом нитрогруппы NO 2, или нитроэфиры, включающие связанные с углеродом нитратные группы ONO2. К нитросоединепиям относятся тротил, тетрил, к нитроэфирам — нитроглицерин. Смесевые ВВ представляют собой механические смеси твердых, жидких или газообразных компонентов. При их разработке в большинстве случаев исходят из общего принципа построения ВВ — смешивание окислителя и горючего. Последнее иногда выполняет и роль технической добавки (связующего, разрыхлителя). Примером смесевых ВВ могут служить аммиачно-селитренные ВВ, черный порох.

Выбор ВВ, имеющих разные взрывные, химические и физические свойства, зависит от характера решаемых задач и условий выполнения взрывных работ.

Приведенные ниже сведения полезны для правильного использования ВВ и СВ при выполнении различных геофизических работ.

Бризантные взрывчатые вещества

Бризантные ЕВ характеризуются взрывчатым превращением, называемым детонацией и протекающим со скоростью порядка нескольких километров в секунду. Типичным представителем бризантных В В является тротил. Это довольно мощное ВВ, сравнительно безопасное в обращении. Тротил широко используется для возбуждения сигнала при сейсмической разведке.

Весьма мощное бризантное ВВ — нитроглицерин. Из-за высокой чувствительности он опасен в обращении, в чистом виде в СССР не применяется. Нитроглицерин используется для производства нитроглицериновых порохов, динамитов, детонитов. За рубежом динамиты с разным содержанием нитроглицерина применяют при сейсморазведке. В США нитроглицерин и динамиты использовали для торпедирования глубоких скважин.

В горном деле широкое применение нашли аммиачно-селит- ренные ВВ. Они могут быть также использованы при некоторых видах сейсморазведочных работ. Для работ в глубоких нефтяных и газовых скажинах с высокой температурой на забое применяют ВВ, обладающие повышенной термической устойчивостью.

Основные бризантные взрывчатые вещества

Тротил СвН2СН3(ХО2)3 (тринитротолуол) — кристаллическое вещество желтоватого цвета с горьким вкусом. Сырьем для него служит толуол, который обрабатывают смесью азотной и серной кислот (нитруют). Плотность расплавленного тротила 1,47 г/см3 при 82 °C, прессованного и литого тротила — до 1,62 г/см3. Тротил слабогигроскопичен, практически нерастворим в воде. Хорошо растворяется в ацетоне, бензоле, толуоле. Взаимодействует со щелочами, образуя соединения, более чувствительные к механическому воздействию и нагреву, чем тротил.

От интенсивного луча огня тротил загорается и на открытом воздухе в россыпи горит спокойно, коптящим пламенем. Горение тротила обычно кончается взрывом, если количество его велико (несколько сотен килограммов) или горение происходит в замкнутом пространстве, либо в пространстве с затрудненным газо- отводом. Тротил обладает высокой химической стойкостью. К механическим воздействиям не очень чувствителен. Примесь небольшого количества песка значительно повышает чувствительность тротила к удару.

Восприимчивость тротила к детонации зависит от его физического состояния. Прессованный тротил детонирует от капсюля- Детонатора, а для литого необходим более мощный детонатор, в качестве которого обычно используют промежуточный заряд в виде шашки прессованного тротила. Физическое состояние тротила влияет также на критический диаметр распространения Детонации (см. главу I).

Тротил .выпускают в виде тонких чешуек, кусков, литых зарядов, прессованных шашек, а также в виде гранул размером 2—5 мм.

При взрывании больших зарядов тротила (в скважинах, камерах) иногда через несколько секунд или минут после взрыва может наблюдаться довольно сильный хлопок, сопровождающийся выбросом пламени. Это явление связано со взрывом окиси углерода и других горючих продуктов детонации тротила, которые могут образовать с воздухом смесь взрывоопасной концентрации. Об этом следует помнить при работах с тротилом во избежание несчастных случаев.

Тротил применяют для изготовления промышленных ВВ, а также в сплавах и смесях с другими В В для зарядов торпед и других изделий. Для сейсморазведочных работ выпускают литые цилиндрические заряды тротила (см. § 5).

Основные взрывные характеристики тротила и других ВВ приведены в табл. 7.

Гранулотол (гранулированный тротил). Применяют только в водной среде или в растворе аммиачной селитры. При заполнении водой воздушных промежутков между гранулами возрастает плотность заряжания до 1,3 г/см3, улучшаются условия детонации, увеличивается эффект взрыва. Растворение в воде аммиачной селитры повышает энергию взрыва за счет взаимодействия продуктов детонации тротила с кислородом селитры. Для возбуждения детонации гранулированного тротила требуется промежуточный детонатор.

Применение гранулотола для сейсмической разведки может быть эффективно при необходимости полного использования объема скважины, особенно для котловых зарядов.

Алюмотол. Гранулированный сплав тротила с алюминиевым порошком. Гранулы имеют серебристый цвет и диаметр 3—5 мм.

Таблица 7

Свойства бризантных взрывчатых веществ

Наименование В В

Плотность, г/см3

Температура плавления, °C

Теплота взрыва, ккал/кг

Объем газообразных продуктов, л/кг

Чувствительность к удару, (стандартная проба), %

Тротил

1,66

80

1000

685

4—28

Гексоген

1,80

204*

1320

900

70—90

Октоген

1,84

279

1380

900

96

Тэн

1 77

142 *

1400

800

100

Нитроглице-

1,60

13,5

1480

715

100

ри и ТНВ

1,67

123

1000

820

8—12

гиде

1 76

232

1020

685

60

НТФА _

1.64

345

1010

690

^30

Продолжение табл. 7

Наименование В В

Бризантность, мм

работоспособность, мл

Критический диаметр детонации, мм

Скорость детонации, км/с

Термостабильность в воздушной среде при диаметре заряда до 20 мм, °C

Тротил Гексоген Октоген

Тэн Нитроглицерин ТНБ ГНДС НТФА

16

25 **

25 **

25 **

26

17

285

475

480

470

590

330

3 1-2

1

1-2

2

3

1,5-3,5

2

7

8,4

8,4

8,2 3,0

7,0

7,5

7,2

130

180

200

100

270

220

270

* Плавится с разложением.

** При плотности 1,3 г/см3.

Введение алюминия повышает энергию взрыва и работоспособность тротила. Алюмотол, выпускаемый промышленностью, содержит 15% алюминия. По взрывным характеристикам он превосходит гранулотол (см. табл. 8). Так же, как и гранулотол, алюмотол целесообразно применять в водонаполненпом состоянии или в водном растворе аммиачной селитры, где он устойчиво детонирует в зарядах диаметром 30 мм. Для инициирования взрыва алюмотола используют промежуточный детонатор. Алюмотол применяют в скважинах с проточной водой.

Гексоген (CH2NNO2)3 (циклотриметилентринитрамин). Высокобризантное взрывчатое вещество, более мощное, чем тротил. Белое кристаллическое вещество без вкуса и запаха. 1ок- сичен. Температура плавления 201 °C (плавится с разложением). При температуре плавления чувствительность к удару и трению сильно повышается. Химическая стойкость гексогена высока. С металлами он не взаимодействует, крепкая серная кислота его разлагает. В воде практически не растворим. Растворяется в ацетоне. ,

При воспламенении небольшое количество гексогена (несколько килограммов) сгорает ярким шипящим пламенем без взрыва. Большие количества при горении детонируют.

Чувствительность гексогена к механическим воздействиям и восприимчивость к детонации выше, чем у тротила. При любых плотностях заряда гексоген детонирует от взрыва капсюля-детонатора.

Для снижения чувствительности к механическим воздеи ствиям и улучшения прессуемости в гексоген добавляют небольшое количество флегматизатора (парафина и др.). Флегматизи- рованный гексоген для отличия от чистого окрашивают в красноватый цвет.

Чистый гексоген используют в основном для снаряжения детонаторов и детонирующих шнуров. Флегматизированный гексоген в виде прессованных шашек успешно применяется для прострелочно-торпедировочных работ: заряды для кумулятивных перфораторов, для торпед ТШ и т. п.

Гексоген входит в состав некоторых взрывчатых смесей.

Сплавы тротил — гексоген. Используют в смеси с тротилом (ТГ) или с тротилом и алюминием. Смеси обладают сравнительно высокой мощностью и более низкой чувствительностью, чем гексоген. Наиболее часто применяемый сплав ТГ имеет соотношение 50/50. Он используется для изготовления зарядов торпед типа ГКО (торпеды кумулятивные осевые) и др.

Октоген (CH2NNO.2)4. Аналог гексогена. По свойствам близок к гексогену, но отличается большей плотностью, более высокой температурой плавления, а также несколько более высокой термостойкостью. В чистом виде обладает высокой чувствительностью (выше гексогена). Применяется как мощное термостойкое ВВ в термостойких средствах взрывания и других изделиях для скважин с высокой температурой забоя. Флегматизированный октоген применяют в кумулятивных зарядах.

Тэн C(CH2ONO2)4 (пентаэритриттетранитрат). Высокобризантное ВВ, белое, кристаллическое, без запаха. Плавление его сопровождается медленным разложением. Хорошо прессуется до плотности 1,6 г/см3. Химическая стойкость сравнительно высока. Не гигроскопичен и не растворим в воде. В небольших количествах на открытом пространстве сгорает спокойно, если вещества более 1 кг, горение переходит во взрыв.

Тэн очень чувствителен к механическим воздействиям. Для понижения чувствительности его обычно флегматизируют и при этом окрашивают в розовый цвет. Восприимчивость к детонации у тэна несколько выше, чем у гексогена и тетрила. У водонасыщенного тэна восприимчивость к детонации снижается и для ее возбуждения требуется дополнительный детонатор. По мощности примерно равен гексогену. Благодаря высоким взрывным качествам тэн используют для изготовления детонирующего шнура и промежуточных детонаторов. Термостойкость сравнительно невелика.

Сплав тротила с тэном называют пентолитом. Его используют для отливки шашек-детонаторов.

Нитроглицерин C3H5(ONO2)3 (глицеринтринитрат). Мощное бризантное взрывчатое вещество, отличающееся очень высокой чувствительностью к механическим воздействиям. Маслообразная бесцветная прозрачная жидкость с плотностью 1,6 г/см3. Ядовит. При температуре +13,2 °C нитроглицерин затвердевает. Не гигроскопчен и плохо растворяется в воде, хорошо растворим в большинстве органических растворителей. Очень чувствителен к толчкам, трению, удару. Максимальная

высота падения груза массой 2 кг, при которой не происходит взрыва, составляет для нитроглицерина всего 4 см.

Благодаря способности нитроглицерина растворять нитросоединения и нитроцеллюлозу (пироксилин, коллодионный хлопок) с образованием эластичной студнеообразной массы, чувствительность которой ниже чувствительности нитроглицерина, его используют при производстве порохов и динамитов. Основные взрывные характеристики приведены в табл. 7.

Близким к нитроглицерину по свойствам является другой нитроэфир — динитрогликоль, который обычно добавляют к нитроглицерину для снижения температуры замерзания.

Аммиачно-селитренные взрывчатые вещества

Это взрывчатые механические смеси, содержащие в качестве кислородсодержащего компонента аммиачную .селитру. Дешевые ВВ, широко используемые промышленностью.

За последние годы ассортимент аммиачно-селитренных В В значительно расширен и обновлен. Благдаря использованию водо- устойчивой аммиачной селитры повысилась водоустойчивость составов. Получили распространение грубодисперсные составы на основе гранулированной селитры, отличающиеся малой чувствительностью и хорошей сыпучестью, — игданиты,гранулиты,зерно- гранулиты. Появились и пластичные и текучие водонаполненные ВВ, пригодные как в сухих, так и в обводненных скважинах, обладающие низкой чувствительностью к механическим воздействиям.

Аммиачно-селитренные В В по составу можно разделить на следующие основные группы: динамопы, аммоналы, порошкообразные нитроглицериновые ВВ. В особую группу выделяют водонаполненные аммиачно-селитренные ВВ, пластифицированные водным гелем. К ним относятся акватолы и акваниты. Взрывчатой основой у них являются порошкообразные или гранулированные аммониты и аммоналы.

Остановимся несколько подробней на свойствах аммиачной селитры, основного компонента этих ВВ.

Аммиачная селитра NH4NO3 (азотнокислый аммоний или нитрат аммония) — один из наиболее распространенных видов удобрений. Это бесцветное кристаллическое вещество горьковатого вкуса, хорошо растворимое в воде. Само по себе оно является малочувствительным слабовзрывчатым веществом. В чистом виде от искры и от огня не загорается. Горит лишь в мощном очаге пламени. Для инициирования взрыва требует промежуточного детонатора. Примеси органических веществ (даже в небольших количествах) повышают энергию взрыва аммиачной селитры и чувствительность ее к механическим воздействиям (рис. 27).

Аммиачная селитра обладает двумя отрицательными свойствами: гигроскопичностью и слёживаемостью. У гранулированной

селитры, выпускаемой со специальными добавками, эти свойства проявляются слабее. Меньшей слёживаемостью обладает также водоустойчивая порошкообразная аммиачная селитра ЖВ.

Динамоны. Смеси аммиачной селитры с невзрывчатыми горючими материалами. В связи с отсутствием взрывчатого сенсибилизатора в составе динамонов детонационная способность их в значительной степени зависит от физического состояния (влаж

ности, степени уплотнения и т. п.). В настоящее время выпу

скаются динамоны АМ, в состав которых входят водоустойчивая

Рис. 27. Изменение чувствительности аммиачной селитрыРис. 27. Изменение чувствительности аммиачной селитрык удару при введении в нее примесей мазутак удару при введении в нее примесей мазутааммиачная селитра ЖВ, минеральное масло и алюминиевая пудра. Применяется в сухих и обводненных скважинах.

Рис. 27. Изменение чувствительности аммиачной селитры

Рис. 27. Изменение чувствительности аммиачной селитры

к удару при введении в нее примесей мазута

к удару при введении в нее примесей мазута

Довольно широкое применение имеют динамоны на основе гранулированной селитры, пропитанной жидкими горючими (гранулированные динамоны). Они дешевы и отличаются низкой чувствительностью к механическим воздействиям, что позволяет механизировать транспортные и зарядные операции. Простейшим гранулированным динамо- ном является и г д а н и т — смесь

гранулированной аммиачной селитры с 4—6% жидкого горючего (соля-

ровое масло, дизельное топливо, керосин и т. д.). Получается сме

шений! компонентов в процессе заряжания скважины или на рабочей площадке непосредственно перед заряжанием. Для инициирования взрыва игданита требуется промежуточный детонатор.

Основные достоинства игданита — дешевизна и безопасность, недостаток — непригодность для скважин, заполненных водой. По сейсмической эффективности игданит слабее тротила примерно на 10—15%.

Гранулиты. Гранулированные динамоны заводского изготовления. Выпускаются несколько сортов гранулитов: гранулит М — смесь пористой гранулированной селитры с 5,5% дизельного топлива; гранулит С-2 — гранулированная аммиачная селитра, пропитанная минеральным маслом и опудренная древесной мукой; гранулиты АС-8 и АС-4 — гранулированная аммиачная селитра с 3—4% минерального масла, опудренная 8—4% алюминиевой пудры. Гранулиты малочувствительны

к капсюлю-детонатору и надежно детонируют от промежуточного детонатора.

Аммониты. Взрывчатые механические смеси, в состав которых входит в основном аммиачная селитра с добавлением тротила или других нитросоединений. В некоторых случаях для повышения детонационной способности в них вводят дополнительный сенсибилизатор (нитроглицерин, гексоген или тэн). Аммониты, в состав которых входит алюминий, называют аммоналами. Выпускается довольно много сортов аммонитов с содержанием селитры от 66 до 87%.

При хранении, перевозке и применении аммониты сравнительно безопасны. С трудом загораются от искры или огня. На открытом воздухе сгорают без взрыва. В большой массе горение может перейти во взрыв. К трению и удару аммониты мало чувствительны. Наиболее распространенным является аммонит № 6ЖВ (см. табл. 8).

Таблица 8Свойства гранулированных и некоторых негранулированныхаммиачно-селитренных взрывчатых веществ

Наименование В В

О S^.

R 2 й я д

Н м К

д

О § у S

И и в

они

< 8 о ►

О О о g

Он о

s ^ О у °

а л ДНЮ

о R те д

Игданит

0,9

920

150

2,2—2,8

320

0

Гранулит С-2

0,9

917

130

2,4—3,2

320

0-4

Зерногранулит 79/21 . .

0,9

967

60

3,0—3,6

360

4—24

Алюмотол

1,1

1260

80

4,3—4,8

420

12-44

Гранулотол

1,0

870

80

4,5—5

285

4

Аммонит № 6ЖВ

1-1,2

1030

13

3,6-4,8

360

16—32

Акватол

1,4

1100

120

4,9-5,3

400

0—4

Акванит ЗЛ

1,5

840

45

4,5-5,5

335

0

Детонит М

1,1—1,3

1382

10

3,9—5

460

40—60

Основное применение порошкообразных аммонитов — в шпурах и скважинах при подземных разработках. Для механизированных способов заряжания (пневматических и др.) более перспективны гранулированные, пластичные и текучие ВВ.

Зерногранулиты (разновидность аммонитов). Смесь гранулированной аммиачной селитры и тротила. Выпускают зерногранулиты следующих марок: 79/21 (в числителе — процентное содержание аммиачной селитры, в знаменателе — тротила) на чешуйчатом тротиле, 30/70 на гранулированном тротиле и водоустойчивые 50/50В и 30/70В, в которых тротил вводят в виде пленки, покрывающей гранулы селитры. Зерногранулиты с добавкой алюминия называются граммо налами.

Зерногранулиты обладают меньшей детонационной способностью, чем порошкообразные аммониты. Для полной детонации

зарядов зерногранулита требуется мощный дополнительный детонатор. Зерногранулиты применяют для скважин диаметром более 80 мм.

Аммиачно-селитренные взрывчатые смеси, содержащие водные гели в качестве жидкого наполнителя и пластифицирующего вещества, называются водонаполненными ВВ (ВВВ). Содержание гелеобразующего агента (загустителя) составляет 0,7—1,5%, воды — от 5 до 15%. ВВВ имеют различную консистенцию — от жидкотекучих до густых резиноподобных масс. Промышленностью выпускаются две основные разновидности ВВВ — акватолы и акваниты разных составов.

Акватолы. Имеют вид вязкой тестообразной массы плотностью около 1,5 г/см3. Промышленностью выпускается акватол 65/35с в виде смеси сухих компонентов — гранулированной аммиачной селитры, тротила и загущающей добавки, а также акватол М-15, содержащий добавку алюминия.

Водонаполнение акватолов производят непосредственно перед заряжанием скважин в специальных смесительных зарядных аппаратах, смонтированных на автомашинах. Для возбуждения взрыва акватолов требуется мощный промежуточный детонатор.

Некоторые предприятия изготовляют акватолы на месте применения на специальных установках, используя горячий насыщенный раствор аммиачной селитры и заливая горячий акватол в скважину. При остывании его в скважине часть растворенной селитры выкристаллизовывается и получается тестообразная масса. Таким образом готовят горячельющиеся акватолы, а также и ф з а н и т ы. Состав ифзанитов можно изменять в зависимости от требуемой объемной энергии ВВВ. Изменением соотношения компонентов в процессе заряжания достигается требуемая плотность и удельная энергия ВВ по высоте скважины. Благодаря этим свойствам ифзаниты представляют интерес при решении многих задач, связанных с использованием взрыва, в том числе при сейсморазведке.

Акваниты. Пластифицированные водными растворами аммиачно- селитренные ВВ, сенсибилизированные тротилом и гексогеном. Детонационноспособны в условиях скважин малых диаметров. В зависимости от содержания воды различаются акванит ЗЛ с высокой текучестью (содержит 12% воды), предназначенный для заряжания шпуров и скважин при помощи нагнетательных насосов или пневматических зарядных устройств, пластичные составы — акванит № 2 и др., выпускаемые в виде патронов различного диаметра, гранулированный состав АРЗ (акванит раздельного заряжания), который легко транспортируется по пневмомагистралям как сыпучее вещество и пластифицируется орошением при выходе из пневмозарядчика и в процессе уплотнения в шпуре и в скважине. Акванит № 2 детонирует от капсюля-детонатора; для детонации акванита ЗЛ требуется дополнительный детонатор.

Значительная часть из рассмотренных выше ВВ еще не используется при выполнении геофизических работ. Однако расширение задач, стоящих перед геофизиками, и наряду с этим дополнительные возможности организации технологического процесса, открываемые свойствами ВВ, позволяют считать, что в недалеком будущем они найдут применение.

Из взрывчатых смесей, в состав которых входит нитроглицерин, в настоящее время в СССР применяют только порошкообразные нитроглицериновые ВВ — детониты.

Детониты. Порошкообразные смеси на основе водоустойчивой аммиачной селитры, сенсибилизированной жидкими нитроэфирами с добавками алюминиевой пудры и, в некоторых составах, — тротила. Выпускаются несколько марок, различающихся по содержанию нитроэфиров (от 6 до 15%) и алюминиевой пудры (от 5 до 10%).

Детониты — мощные ВВ, более чувствительные к удару и трению, чем аммониты. Критический диаметр детонации дето- нитов меньше, чем аммонитов. Их выпускают в патронах малых диаметров. Недостатком детонитов является токсичность, свойственная всем нитроглицериновым ВВ.

Динамиты. Желатинообразные бризантные ВВ с высоким содержанием нитроглицерина и других жидких нитроэфиров в смеси с окислителями и горючим. Преимущества динамитов — водоустойчивость, а также высокая мощность. К недостаткам относятся: повышенная чувствительность, эксудация — способность выделять жидкий нитроглицерин, при этом они становятся чрезвычайно опасными (подлежат немедленному уничтожению). Динамиты со временем стареют, т. е. теряют чувствительность к детонации. За рубежом динамиты с разным содержанием нитроглицерина применяют для сейсморазведочных работ. Наша промышленность выпускает 62%-ный динамит с температурой замерзания —19 °C.

Интерес представляют смесевые взрывчатые вещества для импульсной обработки металлов. К ним относятся пластиты и эластиты. Эти ВВ, обладающие пластичными или эластичными свойствами, устойчиво детонируют в слоях толщиной 0,5—6 мм; скорость детонации 7—8 км/с. Для сварки взрывом предназначено низкоимпульсное пористое ВВ взрывной поролон плотностью 0,15—0,70 г/см3, детонирующее в эластичных листах толщиной 5—20 мм; скорость детонации 1,8—4,5 км/с.

Термостойкие взрывчатые вещества

В связи с бурением глубоких нефтяных и газовых скважин появилась потребность в ВВ, которые могли бы применяться в скважинах при температурах 200—250 °C и выше. Обычные ВВ (например, тротил и гексоген) не могут быть использованы при столь высокой температуре.

Имеются взрывчатые вещества с термостойкостью 180—270 °C (см. табл. 7). По взрывным характеристикам термостойкие составы и вещества являются бризантными ВВ. Однако теплота взрыва, объем газообразных продуктов взрыва и чувствительность к взрывному импульсу у них ниже, чем у гексогена и октогена. По условиям применения при прострелочно-взрывных работах в нефтяных и газовых скважинах заряды не должны заметно изменять свои взрывчатые характеристики после выдержки при максимальной температуре их применения в течение 6 ч и на протяжении 24 ч и в этих условиях не должны самопроизвольно детонировать.

Жидкие взрывчатые смеси

Остановимся на перспективной группе ВВ — жидких взрывчатых смесях (ЖВС). Они могут быть созданы на разных жидких окислителях, например на четырехокиси азота (N2O4), концентрированной (безводной) азотной кислоте (HNO3)), и т. д. В качестве горючего компонента могут служить соляровое масло, толуол, нитробензол и другие жидкие органические вещества.

Жидкие взрывчатые смеси обладают рядом достоинств, отличаются высокой мощностью взрыва (теплота взрывчатого превращения в 1,4—1,7 раза выше, чем у тротила). Критические диаметры детонации ЖВС очень малы — менее 1 мм, что открывает ряд заманчивых перспектив для новых технологических приемов их применения. Технология их изготовления проста (смешение), многие из них дешевы. Основным недостатком ЖВС является высокая чувствительность к механическим воздействиям, затрудняющая их применение. Кроме того, смеси малоустойчивы.

Газовые взрывчатые смеси

Эти смеси содержат горючие газы и кислород. Как уже было отмечено, горение и взрыв в таких смесях способны распространяться не при любом соотношении компонентов, а лишь в определенных пределах состава, называемых концентрационными пределами. Добавление инертных газов сужает пределы горючести и в конце концов делает смесь негорючей. Это влияние тем сильнее, чем выше теплоемкость инертной добавки.

Нижний предел смеси с кислородом для большинства газов близок к пределу для смеси с воздухом. Верхний предел для кислородной смеси всегда значительно больше, чем для воздушной.

Воспламеняемость смеси зависит от ее состава. Количественной характеристикой воспламеняемости может служить минимальная величина энергии поджигающего импульса, достаточная для возбуждения горения. Для смеси каждого горючего

газа с воздухом существует некоторый оптимальный состав, соответствующий наибольшей воспламеняемости. На рис. 28

с воздухом.с воздухом.приведена зависимость минимальной мощности воспламеняющей искры (сила тока в первичной цепи) от состава для смеси пропана

с воздухом.

с воздухом.

Детонацию взрывчатой газовой смеси можно вызвать различными способами: взрывом заряда конденсированного ВВ, впуском

Рис. 28. Зависимость минимальной мощности воспламеняющей искры от составаРис. 28. Зависимость минимальной мощности воспламеняющей искры от составасмеси пропана с воздухомсмеси пропана с воздухомдостаточно мощной ударной волны в объем, занимаемый газовой смесью. Кроме того, нормальное горение в трубках большой длины способно самопроизвольно переходить в детонацию. Плоская детонационная волна, выходящая из трубки, может в определенных условиях вызвать сферическую детонацию в объеме намного большего диаметра.

Рис. 28. Зависимость минимальной мощности воспламеняющей искры от состава

Рис. 28. Зависимость минимальной мощности воспламеняющей искры от состава

смеси пропана с воздухом

смеси пропана с воздухом

Наибольший интерес представляют смеси кислорода с пропаном или бутаном, либо их смесью. Эти газы ши-

роко используются в народном хозяй

стве, дешевы, их хранение и перевозка не сложны.

Пропан-кислородные газовые смеси. Обладают сравнительно большой мощностью взрыва. Для стехиометрической смеси удельная теплота взрыва составляет 3,6 ккал/л. Соотношение компонентов смеси пропан—кислород, соответствующее стехиометрическому составу, равно 1 : 5 (по объему). Плотность такой смеси

Рис. 29. Зависимость скорости детонации от состава смеси пропана с кислородом

1,5 г/л. Детонационные пределы пропан-кислородной Смеси: нижний — 3,1%, верхний—37% пропана. Скорость детонации стехиометрической смеси пропан—кислород около 2,6 км/с. На рис. 29 приведена зависимость скорости детонации смесей пропан—кислород от их состава.

Смеси водород — кислород (гремучий газ). Они имеют очень небольшую плотность, которая для стехиометрического состава

равна 0,5 г/л. Хотя энергия единицы массы такой смеси больше, чем у смеси пропан—кислород, энергия единицы ее объема меньше и составляет 2 ккал/л. Скорость детонации смеси водород—кислород стехиометрического состава 2,8 км/с. Концентрационные пределы детонации: нижний — 15% водорода, верхний — 90%. Оба компонента смеси — водород и кислород могут быть получены непосредственно электролизом воды. Применение такой смеси перспективно при морской сейсморазведке и при взрывах в скважинах, заполненных водой.

В последнее время газовые взрывчатые смеси при решении задач сейсмической разведки в ряде случаев с успехом заменяют конденсированные ВВ (см. гл.У).

Пороха

Порохами называют твердые многокомпонентные ВВ, для которых характерно устойчивое горение, не переходящее в детонацию и при больших давлениях. Пороха называют еще метательными ВВ. По составу они делятся на нитроцеллюлозные и смесевые.

Нитроцеллюлозные пороха (бездымные). Твердые однородные системы на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной органическими растворителями.

Смесевые пороха. Механические смеси окислителя, горючего и связующих веществ. Простейшей пороховой смесью является дымный порох, состоящий из калиевой селитры, древесного угля и серы.

Для ракетных двигателей применяются твердые смесевые топлива, в которых в качестве окислителя используются нитраты, хлораты Или перхлораты, а в качестве горючего связующего — смолы, каучуки, пластмассы и т. п.

Энергетические свойства пороха в основном определяются количеством тепла Qy, которое выделяется при сгорании 1 кг пороха и объемом газообразных продуктов горения 70, образующихся при его сгорании. Пороха характеризует также температура горения Ту, определяемая теплотой сгорания, и сила пороха / — работа расширения продуктов сгорания 1 кг пороха, нагреваемых при атмосферном давлении от нуля до Т еС, которая определяется температурой горения. Физико-химические и баллистические характеристики порохов приведены в табл. 9.

Бездымные пороха

Основой бездымных порохов является нитроцеллюлоза (нитроклетчатка). При их изготовлении нитроклетчатку обрабатывают растворителем, в результате чего образуется коллоидная тестообразная масса, которую прессуют, придавая пороху ту пли иную форму.

Характеристика порохов

Таблица 9

Наименование и обозначение

Плотность прессованного заряда, г/см®

Чувствительность к Удару, %

Температура горения, к

Объем газообразных продуктов, л/кг

Дымные (типа ДРП) Бездымные (пироксили-

1,6-1,9

—

2500—2600

280

новые)

1,56-1,64 (зерна)

50-90

2400—2700

900—970

Баллпстптные

(НБПЛ 14-10, НБПЛ 10-10) ....

1,2—1,4

2500-3400

840-860

Термостойкие:

Г-80

1,78—1,8

68—72

4550

745

0-75

1,8—1,91

8

4480

707

П-65

1,95—1,99

56

3540

535

Продолжение табл. 9

Наименование и обозначение

Теплота сгорания, ккал/кг

Сила пороха /•10», кгс-дм/кг

Порог термостойкости, °C

Количество твердого остатка, г/кг

Дымные (типа ДРП)

665

100

564

Пироксилиновые . . .

700-900

0,9-1

100—110

Нет

Баллпстптные (НБПЛ 14-10, НБПЛ 10-10) . . . .

1100-1350

0,85—1,2

100—110

»

Термостойкие: ■ Г-80

1450

1,25

180

73

0-75

1320

1,2

200

86

П-65

790

0,71

260

В зависимости от применяемого растворителя бездымные пороха делятся на три основные группы.

Пироксилиновые пороха. Изготовляются на летучем растворителе — спиртово-эфирных смесях. Основой служит нитроцеллюлоза с высоким содержанием азота, называемая пироксилином.

Нитроглицериновые баллиститы. Изготовляются на слаболетучих растворителях, главным образом на нитроглицерине. Основа — нитроцеллюлоза с низким содержанием азота — коллоксилин.

Нитроглицериновые кордиты. Изготовляются на смешанных растворителях — нитроглицерине с добавками ацетона или спирто-эфирной смеси. Основой служит пироксилин.

Пороха выпускаются в виде элементов разных форм (пластинчатых, ленточных, трубчатых и др.) и размеров. Пороха принято обозначать марками, указывающими их природу, форму и размеры зерен. Обозначения нитроглицериновых порохов начинают с буквы Н. Марку зерненого пироксилинового пороха обозначают дробью: числитель указывает толщину горящего свода в десятых долях миллиметра, знаменатель — число каналов в зерне. Например, 4/1 означает зерно с одним каналом п толщиной свода 0,4 мм. Для обозначения пироксилиновых трубчатых порохов к дроби добавляют буквы ТР. Например, 22/1 ТР — трубчатый пироксилиновый порох, толщина трубки 2,2 мм с одним каналом. При обозначении нитроглицериновых трубчатых порохов буквы ТР не добавляют, так как эти пороха не изготовляются в виде зерен цилиндрической формы. Пластинчатые пороха обозначают буквами ПЛ с двумя числами: первое число — толщина пластинки в сотых долях миллиметра, а второе — ширина ее в десятых долях миллиметра. Например, НБПЛ-14-10 — нитроглицериновый, баллпститный, пластинчатый с толщиной пластинки 0,14 мм и шириной 1 мм. Ленточные пороха обозначают буквой Л с числом, показывающим толщину ленты в сотых долях миллиметра.

Бездымные пороха химически менее стойки, чем бризантные ВБ. Повышение температуры и влажности среды при хранении порохов значительно ускоряет их разложение и вызывает изменение баллистических свойств. В связи с этим пороха нужно хранить в герметической укупорке, в закрытых от солнца и хорошо вентилируемых помещениях. Признаками сильного разложения пороха являются запах окислов азота и появление на поверхности пороховых зерен пятен, вздутий, углублений и трещин. Пороха, химическая стойкость которых становится ниже определенного предела, необходимо уничтожать. При некоторых условиях происходит эксудирование («выпотевание») нитроглицерина на поверхность зерен нитроглицеринового пороха, который становится очень опасным.

При сильном трении частиц пороха друг о друга или о материалы, не проводящие электричество (например, при пересыпании), пороха могут наэлектризоваться до высокого потенциала, способного вызвать искровой разряд и воспламенить пороховую пыль или пары летучих веществ. При влажности воздуха выше 60% способность пороха к электризации снижается.

Большинство порохов способно в определенных условиях детонировать, что позволяет использовать некондиционные партии их на взрывных работах, в том числе при сейсморазведке. Пироксилиновые пороха детонируют легче, чем нитроглицериновые, и хорошо детонируют в воде. Нитроглицериновые пороха в воде взрываются труднее, и детонация их часто затухает. Детона-

ционная способность повышается с уменьшением размеров пороховых элементов. При использовании порохов для взрывных работ вопрос о детонационной способности и требуемом промежуточном детонаторе решается экспериментально для каждой партии пороха.

В геофизике нитроцеллюлозные пороха используют по прямому назначению — как метательные ВВ в прострелочной аппаратуре.

Дымные пороха

Дымные пороха (или черные) — механическая смесь селитры, угля и серы. Селитра служит окислителем, выделяющим кисло

род, уголь — горючим элементом, а сера играет роль цемента- тора, связывающего селитру с углем. Кроме того, сера горюча и способствует воспламенению пороха. Примерный состав дымного пороха: 75% калиевой селитры, 15% угля и 10% серы.

Дымный порох представляет собой полированные зерна серовато-черного цвета. Он гигроскопичен и легко впитывает влагу. Содержание влаги в порохе не должно превышать 1%.

От искры и пламени дымный порох легко воспламеняется.

На воспламеняемость существенное влияние оказывает содержание влаги. Если содержание влаги превышает 2%, порох трудно воспламеняется, если влажность достигает 15%, он не воспламеняется. Дымный порох чувствителен к удару и трению. Падение груза массой 10 кг с высоты 45 см на заряд пороха дает 100% взрывов. Небольшие количества пороха при зажигании

вспыхивают, а большие дают взрыв. Дымные пороха применяют при изготовлении огнепроводного шнура, воспламенителей, в зарядах аппаратуры для прострелочно-взрывных работ и в качестве зарядов взрывных пакеров. За рубежом первые попытки

Рис. 30. Типичные формы зарядов твердого смесевого топлива.Рис. 30. Типичные формы зарядов твердого смесевого топлива.а — заряд торцевого горения; б — заряд, го-рящий по внутреннему звездообразномуканалу; в — заряд трубчатой формы с вну-тренним и наружным горением; г — щелевойзаряда — заряд торцевого горения; б — заряд, го-рящий по внутреннему звездообразномуканалу; в — заряд трубчатой формы с вну-тренним и наружным горением; г — щелевойзарядснижения гибели ихтиофауны при морской сейсморазведке были связаны с использованием черного пороха вместо бризантных ВВ.

Рис. 30. Типичные формы зарядов твердого смесевого топлива.

Рис. 30. Типичные формы зарядов твердого смесевого топлива.

а — заряд торцевого горения; б — заряд, го-рящий по внутреннему звездообразномуканалу; в — заряд трубчатой формы с вну-тренним и наружным горением; г — щелевойзаряд

а — заряд торцевого горения; б — заряд, го-рящий по внутреннему звездообразномуканалу; в — заряд трубчатой формы с вну-тренним и наружным горением; г — щелевойзаряд

Твердые смесевые топлива

Это системы, представляющие собой смеси неорганического окислителя (перхлораты, нитраты), органического горючего, одновременно, как правило, являющегося связующим (различные

высокомолекулярные соединения — полимеры, синтетические каучуки, смолы), и металлического горючего (Mg, Al и т. д). Наиболее распространенные формы зарядов твердого топлива: ’заряд торцевого горения, заряд, горящий по внутреннему

звездообразному каналу, заряд трубчатой формы с внутренним и наружным горением, щелевой заряд (рис. 30).

Эти системы могут представить интерес при решении некоторых геофизических задач, например, при применении различных методов воздействия на пласт с целью интенсификации притока (разрыв пласта и др.).

Инициирующие взрывчатые вещества и пиротехнические составы

Инициирующие — высокочувствительные ВВ. Они способны детонировать от простого внешнего воздействия — искры, пламени, накола, удара, трения. Основные инициирующие ВВ — гремучая ртуть и азид свинца. В чистом виде они не применяются, а используются при изготовлении капсюлей- детонаторов для возбуждения взрыва бризантных ВВ.

В связи с высокой чувствительностью инициирующих ВВ, с изделиями, в состав которых они входят, необходимо обращаться с большой осторожностью.

Гремучая ртуть. Кристаллическое вещество, соль гремучей кислоты (фульминат ртути). Она ядовита, плотность ее 4,5 г/см3. Взаимодействуя с алюминием, образует невзрывчатые соединения, поэтому в изделия с алюминиевой оболочкой гремучую ртуть не снаряжают. При длительном нагревании до 90 °C и выше она разлагается со взрывом.

Гремучая ртуть чувствительна даже к слабым механическим воздействиям, особенно к наколу и трению. Легкое царапание соломинкой вызывает взрыв. Чувствительность к удару очень велика. Минимальная высота падения груза массой 0,6 кг, при которой происходит взрыв, составляет 5,5 см.

Используется в качестве первичного инициатора в капсюлях- детонаторах.

Азид свинца (свинцовая соль азотисто-водородной кислоты). Применяется в качестве первичного инициатора в капсюлях-детонаторах, в том числе термостойких. Инициирующая способность азида свинца выше, а воспламеняемость от луча огня ниже, чем у гремучей ртути. В капсюлях для безотказного воспламенения азида свинца над ним помещают слой легко воспламеняющегося тринитрорезорцината свинца (ТНРС).

Пиротехнические составы. Обладают специфическими свойствами, например окраской пламени, зажигательной способностью, ярким свечением, дымообразованием и т. п. Используются они в военной технике и народном хозяйстве. Представляют собой механические смеси, состоящие из окислителя и горючего. Содержат также примеси специального назначения, окрашивающие пламя, понижающие чувствительность составов (флегмати- заторы), увеличивающие механическую прочность запрессованного состава (цемептаторы) и т. д.

В качестве окислителей в пиротехнических составах применяют нитраты, хлораты, перхлораты и окислы металлов. Горючими служат как неорганические вещества — алюминий, магний и их сплавы, отличающиеся большой теплотворной способностью, так и органические — бензин, керосин, нефть, крахмал, древесные опилки и т. п. К горючим относятся также смолы, которые служат одновременно цементаторами.

Пиротехнические составы применяют для изготовления пиротехнических средств, а также замедлителей, обеспечивающих задержки в срабатывании воспламенителей и средств взрывания, источников получения горючих газов й для других целей. Выпускаются дымовые составы, содержащие инсектицидные вещества, используемые для борьбы с вредными насекомыми. В случае необходимости оперативного получения в небольших количествах газообразного кислорода, пригодного для дыхания, он может быть получен при горении пиротехнических составов, называемых хлоратными свечами.

При геофизических работах пиротехнические составы используются редко, хотя, по-видимому, есть области, где их применение могло бы быть полезным.

Выбор взрывчатых веществ при геофизическихработах

Выбор ВВ и условий их применения в сейсморазведке дол- же'н гарантировать безусловное получение эффективной, качественной сейсмозаписи и вместе с тем обеспечивать безопасность, удобство и экономичность работ.

Остановимся на соображениях, которые можно положить в основу выбора ВВ для сейсморазведочных работ и взрывных работ в нефтяных и газовых скважинах.

Чем больше энергия взрывчатого превращения, тем выше работоспособность ВВ и его сейсмическая эффективность. Однако это не означает, что во всех случаях нужно стремиться к использованию наиболее мощных ВВ. Например, эксперименты в Алжире и Франции, где проводилось испытание 15 видов ВВ, показали, что коэффициент сейсмической эффективности суррогатных порошкообразных ВВ меньше, чем высокобризантных динамитов. Тем не менее в условиях песков Сахары, где приходилось применять группирование большого числа зарядов (до 100 и более на взрыв), были использованы низкосортные, дешевые ВВ, что оказалось экономически более выгодным, чем применение высокобризантных ВВ. Следовательно, для больших зарядов рациональнее использовать маломощные, но дешевые ВВ.

Отказ от мощных ВВ может быть целесообразным не только из экономических соображений. Поскольку бризантное действие взрыва пропорционально плотности ВВ и квадрату скорости детонации, взрывчатые вещества, детонирующие с меньшей

75

скоростью, предпочтительнее, если нужно снизить местное разрушительное действие взрыва. В таких случаях нужно применять малоплотные ВВ с пониженной скоростью детонации. Для получения зарядов со скоростью детонации, соответствующей скорости звука в грунте, в котором производится взрыв, также нужно выбирать менее бризантные ВВ, обладающие пониженной скоростью детонации.

В Советском Союзе при работах методом преломленных волн (МПВ) в ряде районов успешно использовались дешевые бездымные пороха. Однако в связи с их сравнительно низкой химической стойкостью не следует допускать применения бездымных порохов в качестве бризантных ВВ в жаркое время года в южных районах. В этих условиях целесообразно рекомендовать дешевые ВВ простейшего состава — игданиты, транспортировка и хранение основного компонента которых — гранулированной селитры практически безопасны. Для сухих скважин, кроме игда- нитов, могут быть использованы дешевые ВВ заводского изготовления: гранулиты марок АС и С и зерногранулит 79/21.

При работах в обводненных скважинах требуются ВВ, устойчиво детонирующие в воде и обладающие хорошей потопляемостью. При необходимости полного использования объема скважины, особенно для котловых зарядов, целесообразно применять хорошо сыпучие водоустойчивые гранулированные ВВ заводского изготовления, например гранулотол или алюмотол, хорошо взрывающиеся в воде. К тому же вода в этом случае повышает эффект взрыва. Можно использовать и более дешевые гранулированные ВВ заводского изготовления — зерногранулиты марок 50/50 и 30/70, имеющие хорошие эксплуатационные качества (не слёживаются, сыпучи, безопасны) и удовлетворительные взрывные характеристики.

Для районов, где сейсмические работы осложняются обрушением или обледенением стенок скважин, представляют интерес горячельющиеся акватолы (ифзаниты) х. Они изготовляются на месте применения непосредственно перед заряжанием на горячем насыщенном растворе аммиачной селитры и быстро, вслед за заряжанием, отвердевают в скважинах.

При работе в водоемах решающим может оказаться вопрос о безопасности взрыва для ихтиофауны. В этих случаях лучше всего использовать эффект физического взрыва, а также взрыв газообразных взрывчатых смесей (ГВС).

Благодаря ряду других положительных качеств ГВС могут применяться в сейсморазведке на море и на суше. Так, например, способность ГВС к возбуждению взрывчатого превращения при поджигании электрической искрой без применения электродетонаторов позволяет использовать их для создания источников, упругих колебаний непрерывного действия с интервалом между

При условии обеспечения соответствующих средств механизации.

импульсами несколько секунд. При этом существенным достоинством ГВС является их очень низкая бризантность. Они могут быть использованы также для создания источников многократного действия в скважинах, не вызывая разрушения последних.

Для выполнения работ в глубоких (нефтяных и газовых) скважинах определяющими показателями служат мощность и термостойкость ВВ. Недостаточная термостойкость заряда, помещенного в высокотемпературную скважину, может привести к самопроизвольному взрыву и аварии. Мощность ВВ определяет техническую возможность решения той задачи, для выполнения которой его спускают в скважину. Нужно помнить, что с повышением внешнего давления работа взрыва уменьшается. Существенными могут оказаться и такие физические константы, как температура плавления вещества. Переход из твердого состояния в жидкое сопровождается изменениями формы и объема заряда, а также его критического диаметра детонации и может вызвать отказ в срабатывании изделия.

Таким образом, формальный подход к выбору ВВ для проведения взрывных работ может стать причиной многих осложнений при их выполнении.

Средства воспламенения и взрывания зарядов

Взрывчатое превращение 'ВВ возбуждают при помощи специальных изделий — средств воспламенения и взрывания (или средств инициирования). Действие их вызывается простым начальным импульсом — лучом огня, нагревом, наколом и т. д.

Средства воспламенения. Основным средством воспламенения являются электровоспламенители (ЭВ). Они предназначены для поджигания пороховых зарядов и взрывания инициирующих составов капсюлей-детонаторов. Для передачи луча огня на расстояние служат огнепроводные шнуры. К средствам зажигания огнепроводных шнуров относятся электрозажигательные трубки и патроны.

Электровоспламенители (ЭВ), электрозапалы и пиропатроны. Применяют при прострелоч- ных и взрывных работах в скважинах в качестве средств воспламенения. Они состоят из гильзы или корпуса, содержащего мостик накаливания и небольшое количество легковоспламеняющегося, быстрогорящего пороха или пиротехнического состава, дающего луч огня, способный зажечь трудновоспламеняющиеся пороха или вызвать взрыв инициирующего ВВ. Мостик накаливания изготовляют из тонкой нихромовой проволоки с сопротивлением 1,0—1,5 Ъм. В электрозапалах к мостику накаливания припаяны два конца провода, подсоединяемые к цепи источника тока. При включении тока мостик накаливания нагревается и поджигает воспламенительный состав. В пиропатронах контакт осуществляется по верхней крышке корпуса, куда подсоединены концы мостика.

Для работ в скважинах с высокой температурой на забое выпускаются термостойкие электрозапалы ТЭЗ-ЗП на 160 °C и электровоспламенители повышенной термостойкости ЭВ-ПТ. Термостойкие ЭВ не должны самопроизвольно воспламеняться в течение 6-часовой выдержки при наибольшей допустимой тем

пературе.пературе.Огнепроводный шнур. Он представляет собой шнур с сердцевиной из дымного пороха с направляющей нитью посредине. Сердцевина заключена в оплетки, покрытые или про

пературе.

пературе.

питанные • водоизолирующим составом. Скорость горения огнепроводного шнура составляет 0,86— 1 см/с.

При увлажнении огнепроводного шнура свыше 1% он делается непригодным. В зависимости от материала и характера водоизолирующего покрытия различают: асфальтированный огнепроводный шнур (ОША), дважды асфальтированный огнепроводный шнур (ОШДА) и огнепроводный пластикатный шнур (ОШП).

Огнепроводный шнур служит для безотказной передачи луча огня на некоторое расстояние в течение определенного промежутка времени для

Рис. 31. Устройство капсюля-детонатора № 8-М.

1 — гильза; г — чашечка; 3 — гремучая ртуть; 4 — тетрил (тэн или гексоген)

воспламенения инициирующего ВВ в капсюлях-детонатора.х а также зарядов дымного пороха.

Промышленность выпускает несколько видов средств зажигания огнепроводного шнура, например для взрывания одиночных зарядов — электрозажигательная трубка ЭЗТ-2, для группового зажигания — электрозажигательные патроны ЭЗП-Б.

Средства взрывания СВ. Предназначены для инициирования взрыва зарядов бризантных ВВ. К ним относятся капсюли- детонаторы лучевого и накольного действия, электродетонаторы, взрыватели, взрывные патроны, детонирующие шнуры. Кроме того, для инициирования малочувствительных ВВ выпускаются шашки-детонаторы.

Капсюли-детонаторы (КД). Комбинированные заряды инициирующего и бризантного ВВ, заключенные в металлическую или бумажную гильзу. Они срабатывают от луча огня огнепроводного шнура или электровоспламепителя.

Наиболее широкое применение имеют КД № 8:

гремучертутные в медной оболочке (КД № 8-М) (рис. 31) и в бумажной оболочке (КД № 8-Б); они содержат 0,5 г гремучей ртути и 1 г тетрила (гексогена или тэна);

. '2) азидные (КД № 8-А) в алюминиевой оболочке; они содержат

0,2 г азида свинца, 0,1 г ТНРС и вторичный заряд — 1г тетрила (гескогена или тэна), обладают большей инициирующей способностью, чем гремучертутные.

Капсюли-детонаторы чувствительны к удару, лучу огня и тряске. Для работ в высокотемпературных скважинах выпускают специальные термостойкие капсюли-детонаторы ТКД.

В некоторых изделиях применяются капсюли-детонаторы, действующие от накола. Один из таких капсюлей МГ-201 применяется во взрывателях, замедленного действия (ВЗД) к торпедам типа ТШБ и в других устройствах. Он представляет собой металлический колпачок, в который запрессован комбинированный

Рис. 32. Электродетоиатор сейсмический.

1 — гильза; 2 — чашечка; 3 — первичный заряд; 4 — вторичный заряд; 5 — воспламенительная головка; 6 — мостик накаливания; 7 —пластмассовая пробка;

8 — выводные провода

накольный состав, содержащий инициирующее и бризантное В В Удар бойка по капсюлю вызывает взрыв накольного состава.

Электродетонаторы (ЭД). Используются для возбуждения детонации ВВ. Подразделяются они на два типа — мгновенного и замедленного действия.

Электродетонатор мгновенного действия представляет собой капсюль-детонатор со вставленным и закрепленным в его гильзе электровоспламенителем, содержащим воспламенительную головку, мостик накаливания и выводные провода. Крепление мостика может быть эластичным (ЭД-8-Э) или жестким (ЭД-8-Ж). При эластичном креплении мостика ставят выводные провода из медной жилы, так как стальные провода вследствие большой упругости разрывают мостик. На рис. 32 показан электродетонатор сейсмический (ЭДС) мгновенного действия с эластичным креплением мостика, работающий по следующей схеме. При включении тока мостик накаливания электровоспламенителя нагревается. Нанесенная на него «капля» пиротехнического состава воспламеняется и дает луч огня, вызывающий взрыв инициирующего состава, в свою очередь возбуждающий детонацию вторичного заряда КД. Взрыв последнего служит импульсом для детонации заряда бризантного ВВ.

Электродетонаторы, так же как и электровоспламенители, характеризуются следующими основными электрическими параметрами: сопротивлением, безопасным током и импульсом воспламенения. Кроме того, для них имеют значение время передачи и время срабатывания.

Сопротивление ЭД гЭд складывается из электрических сопротивлений мостика и выводных проводников и является основным критерием для проверки исправности каждого ЭД.

Безопасный ток 16 — максимальное значение постоянного тока, который, протекая через ЭД в течение 5 мин, не вызовет его воспламенения. Величина безопасного тока в основном зависит от диаметра нити накаливания мостика и для большинства ЭД равна 0,15—0,18 А. Это позволяет безопасно проверять целостность цепи при помощи специальных электроизмерительных и контрольных приборов (обязательно допущенных для этой цели Госгортехнадзором СССР), дающих в цепь ток не более 50 мА.

Импульс воспламенения, Кв —■ наименьшее значение импульса тока, при котором происходит воспламенение ЭД.

Время передачи 6 — время от момента воспламенения ЭВ до момента выхода луча огня из его головки, а у ЭД мгновенного действия — до взрыва ЭД. Эта величина имеет существенное значение при групповом взрывании.

Рис. 33. Термостойкий электродетонатор ТЭД-270.Рис. 33. Термостойкий электродетонатор ТЭД-270.Время срабатывания т — время от момента включения тока до момента взрыва ЭД.

Рис. 33. Термостойкий электродетонатор ТЭД-270.

Рис. 33. Термостойкий электродетонатор ТЭД-270.

Для взрывания при сейсмической разведке выпускаются электродетонаторы сейсмические — ЭДС мгновенного действия (см. рис. 32). Они имеют хорошую герметизацию и повышенную водонепроницаемость.

— колпачок; 2 — чашечка; 3 —мостик;—■ воспламенительный состав; 5 — первичный заряд; 6 — вторичный заряд;— колодочка; 8 —проводальные т е и м— колпачок; 2 — чашечка; 3 —мостик;—■ воспламенительный состав; 5 — первичный заряд; 6 — вторичный заряд;— колодочка; 8 —проводальные т е и мПараметры ЭДС: сопротивление 1,5—3 Ом, безопасный ток —■ 0,15 А, постоянный ток для надежного воспламенения одиночных ЭД — 0,7 А.

— колпачок; 2 — чашечка; 3 —мостик;

—■ воспламенительный состав; 5 — первичный заряд; 6 — вторичный заряд;

— колодочка; 8 —провод

альные т е и м

— колпачок; 2 — чашечка; 3 —мостик;

—■ воспламенительный состав; 5 — первичный заряд; 6 — вторичный заряд;

— колодочка; 8 —провод

альные т е и м

Для нефтяных и газовых скважин с высокой температурой на забое выпускают специ- остойкпе электродетонаторы

(ТЭД) с термостойкостью 165—270 °C. На рис. 33 показано устройство ТЭД-270.

Для работ в горной промышленности применяются электродетонаторы замедленного действия (ЭДЗД) с замедлением 0,5 — 10 с и короткозамедленного действия (ЭДКЗ) с замедлением 15—250 мс.

Взрывные патроны. Наиболее распространенная конструкция ЭД с дополнительной шашкой бризантного ВВ, заключенных в металлический или пластмассовый корпус. Для прострелочно-взрывных работ в скважинах используются взрывные патроны ПВ-ПД, ПВГ-4, ПВГУ-4 (рис. 34), ПВГУ 250/1500 и др. Герметичный усиленный взрывной патрон ПВГУ-4 используется в кумулятивных ленточных перфораторах и в шашечных торпедах, где применяется для возбуждения детонации ДШ

Рис. 34. Взрывной патрон ПВГУ-4.Рис. 34. Взрывной патрон ПВГУ-4.1 — корпус; г — шашка бризантного В В; 3 — ТЭД-2; 4—в — герметизирующие детали1 — корпус; г — шашка бризантного В В; 3 — ТЭД-2; 4—в — герметизирующие деталив жидкой среде. Патрон содержит электродетонатор ТЭД и шашку бризантного ВВ для усиления инициирующего действия. Патрон пригоден для работы при давлении до 500—600 кгс/см2. Он может быть применен для проведения научно-исследовательских взрывов на океанических глубинах и для других целей.

Рис. 34. Взрывной патрон ПВГУ-4.

Рис. 34. Взрывной патрон ПВГУ-4.

1 — корпус; г — шашка бризантного В В; 3 — ТЭД-2; 4—в — герметизирующие детали

1 — корпус; г — шашка бризантного В В; 3 — ТЭД-2; 4—в — герметизирующие детали

Детонирующий шнур (ДШ) состоит из сердцевины (бризантного ВВ) и гибкой оболочки. Он служит для передачи детонации зарядам ВВ на расстояние. Применяется в сейсмической разведке для одновременного или последовательного взрывания при группировании зарядов, в торпедах типа ТДШ (см. гл. VII), а также как самостоятельный линейный заряд в сейсмической разведке (см. гл. VI).

Наиболее широкое применение имеет детонирующий шнур с сердцевиной из кристаллического или гранулированного тэна. Скорость детонации тэнового шнура 6,5— 7,5 км/с. В 1 м шнура содержится 12— 14 г тэна. Тэновый ДШ выпускается в бухтах по 50 м. Имеются три марки тэнового ДШ — ДШ-А, ДШ-Б и ДШ-В (водоустойчивый), отличающиеся главным образом оболочкой. Оболочка шнура марок ДШ-А и ДШ-Б по второй и третьей оплеткам из хлопчатобумажных ниток пропитана водоизолирующей мастикой, у шнура марки ДШ-В ' оболочка по третьей оплетке покрыта полихлорвиниловым пластиком, что позволяет применять его в водной среде.

Детонирующий шнур должен сохранять детонационные свойства после выдержки в воде на глубине 0,5—1,0 м в течение 12—24 ч. Практически шнур ДШ-В при герметизации его концов резиновыми колпач

ками сохраняет детонационную способность в течение нескольких часов в воде, глинистом растворе и нефти на глубине 2000—2500 м. Согласно техническим условиям шнуры марок ДШ-А и ДШ-Б должны сохранять способность к детонации при нагревании в течение 6 ч до температуры 50 °C и охлаждении в течение 2 ч до —28 °C, ДШ-В — соответственно до температуры 55 °C и —35 °C. Работы в скважинах показали, что шнур ДШ-В не теряет способность детонировать при температуре до 100 °C.

Тэновый шнур детонирует от ЭД № 8. Однако при неправильном креплении —■ привязывании отрезка к основной магистрали ~ по направлению, обратному движению детонационной волны,

вяннои подкладке.вяннои подкладке.или при изгибе шнура под острым углом шнуры могут давать отказы.

вяннои подкладке.

вяннои подкладке.

Детонирующий шнур можно резать острым ножом на дере- Во время резки шнура бухта должна находиться на расстоянии не менее 10 м и на этом участке необходимо делать петлю. При случайном возникновении детонации такая петля локализует ее распространение по шнуру.

Детонирующий шнур усиленный (ДШУ) содержит сердцевину из гексогена с увеличенным количеством ВВ (33 и 60 г на 1 м) и обладает повышенным инициирующим действием. Может применяться в Жидкой среде при температуре не более 100 °C и давлении до 500 кгс/см2 при условии герметизации концов.

Детонирующие шнуры термостойкие (ДШТ-165, ДШТ-180,ДШТ-200) имеют

сердцевину из термостойких бризантных ВВ (гексоген, октоген) — 20 г на 1 м. Предназначены для работ в воздушной среде с температурой не выше 165 °C (ДШТ-165), 180 °C (ДШТ-180) и 200 °C (ДШТ-200).

Для замедления взрыва ДШ выпускается пиротехническое реле КЗДШ с замедлениями 10—50 мс. Реле включают в искусственно созданный разрыв сети ДШ путем соединения отрезков ДШ из реле с концами сети ДШ в месте разрыва.

Рис. 35. Схема соединения шашки ПТ-150 с петлей детонирующего шнура. 1 — шашка; 2 — детони- рующий шнур; 3,4 — бумажная оболочка; 5 — капсюль-детонатор; 6 — шпагатРис. 35. Схема соединения шашки ПТ-150 с петлей детонирующего шнура. 1 — шашка; 2 — детони- рующий шнур; 3,4 — бумажная оболочка; 5 — капсюль-детонатор; 6 — шпагат88Таблица 10

Рис. 35. Схема соединения шашки ПТ-150 с петлей детонирующего шнура. 1 — шашка; 2 — детони- рующий шнур; 3,4 — бумажная оболочка; 5 — капсюль-детонатор; 6 — шпагат

Рис. 35. Схема соединения шашки ПТ-150 с петлей детонирующего шнура. 1 — шашка; 2 — детони- рующий шнур; 3,4 — бумажная оболочка; 5 — капсюль-детонатор; 6 — шпагат

8

8

Характеристика шашек-детонаторов

к 5

g ° Л И ° о S « у Ь ЕГ В

3

5

о

Номинальные размеры шашки, мм

о S

V я

Рекомендуются для инициирования

диаметр

длина

высота

Т-400 '

Тротил

400

70

70

14

Сухих и влаж-

Ш-200

»

200

51

101

26

7,7-8,2 *

ных зарядов игда-

Ш-400

»

400

51

101

51

7,8—8,2 *

нита, гранулитов, зерногранулитов и других ВВ

ТГ-500

Тротил- гексоген

500

70

83

—

14

Обводненных зарядов гранулото-

Тет-150

Тетрил

150

50

50

—

6

ла, алюмотола, зер-

ПТ-150

Пентолит

150

50

50

—

6

ногранутолитов и водонаполненных акватолов

* Глубина гнезда 34—38

мм (может быть до 60 мм).

Шашки-детонаторы. Предназначены для исполь

зования в качестве промежуточных детонаторов для надежного

возбуждения, детонации зарядов ВВ, недостаточно чувствительных к капсюлю-детонатору и детонирующему шнуру. Они различаются по массе, форме и ВВ, из которых изготовлены (табл. 10).

Шашки Тет-150 имеют канал под одну нитку ДШ, литые шашки ПТ-150 содержат два параллельных сквозных отверстия для быстрого соединения их с ДШ в виде петли (рис. 35). В шашках Т-400 и ТГ-500 есть сквозной центральный канал для

*-^80*-^80Рис. 36. Литой тротиловый заряд Л3-2,6.Рис. 36. Литой тротиловый заряд Л3-2,6.пучка четырех ниток ДШ. Наиболее дешевые прямоугольные прессованные шашки Ш-200 и Ш-400 выпускают без отверстий, но по заказу потребителя их делают с гнездом под капсюль-детонатор.

*-^80

*-^80

Рис. 36. Литой тротиловый заряд Л3-2,6.

Рис. 36. Литой тротиловый заряд Л3-2,6.

Изготовление зарядовиз взрывчатых веществ

Для выполнения взрывных и прострелоч- ных работ в геофизике используют главным образом литые или прессованные заряды, реже — патронированные и насыпные.

1 — литой тротил;2 — прессованная1 — литой тротил;2 — прессованнаяЛитые заряды применяют в торпедах при сейсмических исследованиях, прессованные — для возбуждения детонации литых зарядов при сейсморазведке, в кумулятивных пер-

1 — литой тротил;2 — прессованная

1 — литой тротил;2 — прессованная

фораторах, в шашечных торпедах и т. д.,^"“'детш^тра;7™-

насыпные — в сейсморазведке, например при гнездо под электро- использовании пироксилиновых порохов ДЛЯ детонатор работ методом преломленных волн (МПВ).

Изготовление литых зарядов осуществляется в заводских условиях. Из большого числа известных ВВ лишь немногие об

ладают физико-химическими свойствами, обеспечивающими достаточную безопасность в процессе плавки. Наиболее подходя

щими являются тротил и некоторые сплавы на его основе, например ТГ. Литой заряд хорошего качества характеризуется монолитностью, мелкокристаллической структурой, высокой плотностью и отсутствием раковин, трещин и т. п.

Для сейсморазведочных работ выпускают литые заряды тротила двух- видов: ЛЗ-20 — сплошные цилиндрические диаметром 210—220 мм и массой 20 кг и ЛЗ-2,6 массой 2,6 кг с центральным каналом диаметром 20 мм и прессованной 75-граммовой шашкой, имеющей гнездо под электродетонатор (рис. 36).

Прессование зарядов выполняется на заводах. Прессуемость ВВ неодинакова. Сравнительно легко прессуется тротил. Способность ВВ к прессованию зависит не только от их природы, но и от некоторых других факторов, например от формы и размеров кристаллов. Для улучшения прессуемости к некоторым термостойким

ВВ производят специальные добавки — пластификаторы, которые одновременно могут служить флегматизаторами.

Плотность прессованного ВВ зависит от давления, при котором производилось прессование, а также от размеров (диаметра, высоты) и формы прессуемого изделия. С повышением давления прессования плотность прессованного изделия повышается, однако лишь до определенного предела. При увеличении отношения высоты заряда к его диаметру заряд получается неоднородным по плотности. Наиболее плотная часть находится у поверхности, к которой было приложено давление.

Удельное давление прессования ВВ колеблется обычно в пределах 1200—1600 кгс/см2. Средняя плотность прессованных зарядов 1,55—1,65 г/см3. Прессованный заряд не должен иметь трещин и сколов по краям. Для кумулятивных зарядов особенно важна равномерная и высокая плотность. Качество прессования кумулятивных зарядов проверяют путем выборочного отстрела зарядов на мишенях по глубине пробития и диаметру получаемого отверстия.

Патронирование — расфасовка ВВ в патроны производится насыпанием их с утряской или набивкой, а также шнекованием. В патронированном виде выпускают все нитроэфирные и гексо- генсодержащие аммиачно-селитренные ВВ (детониты, скальные аммонит и аммонал), отличающиеся повышенной чувствительностью, а также все предохранительные ВВ.

Большинство непредохранительных аммиачно-селитренных В В выпускают в патронах диаметром 32 мм и массой 200 г, апо заказу потребителя — диаметром 60 мм, массой 1,5 кг и выше. Взрывчатые вещества с повышенной детонационной способностью (детониты, скальные аммонит и аммонал) выпускают также в патронах малых диаметров (24—28 мм).

Взрывчатые вещества, не содержащие нитроэфиров или других жидких компонентов, патронируют в гильзы из обычной бумаги, нитроэфирные ВВ, а также водонаполненные акваниты — в подпергаментную бумагу или парафинированную патронную бумагу.

В ряде стран для сейсморазведочных работ выпускают специальные свинчивающиеся заряды, снабженные оболочкой с внутренней и наружной резьбой на концах, что позволяет быстро собирать заряды нужных длины, диаметра и состава с заданным изменением взрывных характеристик вдоль собранного заряда.

Глава III

УДАРНЫЕ ВОЛНЫ II ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВАВ РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Характеристика ударных воли

Основные свойства и механизм образования ударных волн

Ударные волны возникают при взрывах практически в любых средах и передают действие взрыва на расстояния, во много раз больше тех, на которых на объект могут действовать продукты взрыва.

При взрыве заряда ВВ газообразные продукты взрыва, находящиеся под давлением порядка десятков и даже сотен тысяч атмосфер, расширяются, сжимая и раздвигая окружающую среду (воздух, воду, грунт и т. п.) и частично перемешиваясь с ней. Развитие процесса взрыва в среде схематически показано на рис. 37. После прохождения детонационной волны AAX по заряду ВВ (пунктиром обозначена продетонировавшая часть заряда) начинается расширение продуктов детонации. Зона расширяющихся продуктов в данный момент времени ограничена кривой СААг С1: фронт ударной волны, возбужденной взрывом, — В А и А1В1. Скорость детонации В связана со скоростями Ударной волны Bv и расширения продуктов В2 соотношением D >> Вг > В2, причем значения Вг и Вг падают по мере удаления от фронта детонации AAj.

Схему образования ударной волны проще всего рассмотреть на модели, использованной для вывода основных уравнений гидродинамической теории детонации (см. гл. I, § 5).

По заполненной воздухом весьма длинной трубе со скоростью иг движется поршень. Прилегающий к поршню воздух, естественно, перемещается с той же скоростью иг, а по трубе со скоростью Вг иг распространяется ударная волна, на фронте которой давление, плотность и температура изменяются скачком от р0, р0, То (в невозмущепном воздухе) до некоторых величин pv р1; Тх, сохраняющих постоянное значение за Фронтом.

Допустим, что движение поршня ускоряется скачками от нуля до Uy, затем до и^ и, наконец, до и3. В, этом случае давления в ударной волне будут распределяться по длине трубы так, как показано на рис. 38, а, где каждая ступенька давления соответствует скачку скорости поршня. Скорость распространения каждой последующей ступеньки давления будет больше

Рис. 37. Схема развития процесса взрыва в средеРис. 37. Схема развития процесса взрыва в средеРис. 38. Распределение давлений ударной волны по длине трубы при ускорении поршня скачкамиРис. 38. Распределение давлений ударной волны по длине трубы при ускорении поршня скачками

Рис. 37. Схема развития процесса взрыва в среде

Рис. 37. Схема развития процесса взрыва в среде

Рис. 38. Распределение давлений ударной волны по длине трубы при ускорении поршня скачками

Рис. 38. Распределение давлений ударной волны по длине трубы при ускорении поршня скачками

скорости предыдущей, так перемещается по воздуху,скорости предыдущей, так перемещается по воздуху,Рис. 39. Схема изменения фронта ударной волны с расстоянием при плавном ускорении поршняРис. 39. Схема изменения фронта ударной волны с расстоянием при плавном ускорении поршняразо-разо-

скорости предыдущей, так перемещается по воздуху,

скорости предыдущей, так перемещается по воздуху,

Рис. 39. Схема изменения фронта ударной волны с расстоянием при плавном ускорении поршня

Рис. 39. Схема изменения фронта ударной волны с расстоянием при плавном ускорении поршня

разо-

разо-

как каждая последующая ступенька сжатому и разогретому предыдущей

ступенькой (ступеньками). Таким образом, D3 > S2 > ^i, п0~ этому задние ступеньки давления будут догонять передние (рис. 38, б) и в итоге сольются в одну ударную волну (рис. 38, в). Допустим теперь, что движение поршня ускоряется равномерно.

Фронт образовавшейся в этом случае ударной волны будет иметь иной вид (рис. 39, а). В соответствии с изложенным выше скорость распространения возмущений в гребне волны Dr = будет больше, чем в основании

волны DOCH, крутизна фронта волны увеличивается (рис. 39,6) до тех пор, пока не приобретет

(рис.(рис.характер ступеньки

(рис.

(рис.

39, в).

Следовательно, волна сжатия, вызывающая заметный

грев среды, может устойчиво существовать только в форме ударной волны со скачкообразным изменением давления во фронте; фронт с плавным нарастанием давления неустойчив и быстро превращается в скачкообразный.

Предположим, что двигавшийся равномерно поршень резко остановился. За время своего движения он сообщил воздуху, находившемуся в трубе, определенное количество энергии, за счет которой воздух, прилегавший к поршню, продолжит дви-

доение и после остановки поршня. В результате вблизи поршня образуется разреженное пространство и вслед за ударной волной пойдет волна разрежения, которая, двигаясь по сжатому и "разогретому воздуху, будет нагонять фронт ударной волны. Через малый промежуток времени образовавшаяся в описанном случае волна будет иметь вид типичной ударной волны. Кривая изменения давления во времени при прохождении ударной волны через некоторую точку пространства показана на рис. 40. В момент прихода волны в эту точку давление в прилегающей к ней

области скачком увеличивается от р0 (в невозмущенной среде) до рг (во фронте ударной волны). За фронтом давление быстро падает и через время <сж (время действия фазы сжатия) после прихода волны в рассматриваемую точку оказывается меньше р0 — фаза сжатия сменяется фазой разрежения.

В момент прихода ударной волны в некоторую точку среда, прилегающая к этой точке, начинает двигаться

со скоростью ив направлении распространения этой волны. Характер изменения и (<) схож с характером изменения р (t). В фазе сжатия среда движется

Рис. 40. Схема изменения давления во времени при прохождении ударнойРис. 40. Схема изменения давления во времени при прохождении ударнойволны через некоторую точку пространства.волны через некоторую точку пространства.1 — фаза сжатия; 2 — фаза разрежения (привзрывах в плотных средах — фаза разгрузкиили растяжения)1 — фаза сжатия; 2 — фаза разрежения (привзрывах в плотных средах — фаза разгрузкиили растяжения)в сторону перемещения ударной волны, в фазев сторону перемещения ударной волны, в фазеразрежения — в обратном направлении, но с несколько меньшей скоростью. В итоге происходит некоторое перемещение среды в направлении движения волны. Фронт ударной волны распространяется со сверхзвуковой скоростью (П > с0), а ее хвостовая часть, где р ->- р0, движется со скоростью, близкой к скорости звука с0 в невозмущенной среде, поэтому по мере движения ударная волна растягивается во времени. Давление во фронте Ударной волны pv скорость перемещения фронта D и скорость потока среды и не являются постоянными. При удалении ударной волны от очага взрыва они уменьшаются, и на достаточно больших расстояниях D приближается к с0, а и — к нулю, т. е. ударная волна вырождаестя в акустическую (упругую). Слабая ударная волна отличается от сильной акустической сверхзвуковой

Рис. 40. Схема изменения давления во времени при прохождении ударной

Рис. 40. Схема изменения давления во времени при прохождении ударной

волны через некоторую точку пространства.

волны через некоторую точку пространства.

1 — фаза сжатия; 2 — фаза разрежения (привзрывах в плотных средах — фаза разгрузкиили растяжения)

1 — фаза сжатия; 2 — фаза разрежения (привзрывах в плотных средах — фаза разгрузкиили растяжения)

в сторону перемещения ударной волны, в фазе

в сторону перемещения ударной волны, в фазе

скоростью распространения фронта и конечным перемещением

среды в направлении движения волны; эти различия, однако, далеко не всегда удается выявить экспериментально.

При взрыве заряда ВВ роль трехмерного поршня играют газообразные продукты взрыва, сжатые до высокого давления

и двигающиеся от центра взрыва к периферии. В начальный момент продукты имеют наибольшую скорость разлета. По мере расширения продуктов скорость их движения постепенно уменьшается до нуля, после чего они несколько перемещаются в обратном направлении.

В начале настоящего параграфа ударная волна была определена как область сжатия, хотя в действительности она содержит две фазы — сжатия и разрежения. Дело в том, что действие ударной волны определяется фазой сжатия. Действие фазы разрежения обычно несущественно, поэтому не учитывается, за исключением некоторых частных эффектов.

Факторы, определяющие действие ударных волн.

Законы подобия

Для оценки действия ударной волны необходимо знать характер нагрузки и параметры системы, на которую эта нагрузка действует. Характер нагрузки обычно описывается функцией изменения давления ударной волны во времени р ^ в пределах от 0 до £сж. Однако во многих частных случаях действие ударной волны с достаточной степенью точности определяется либо значением избыточного давления Дрт — pt — рп на ее фронте, либо величиной удельного импульса фазы сжатия

I — Ар (0о

Характер воздействия ударной волны на заданную системз^ зависит от соотношения между временем действия фазы сжатия £сж и временем релаксации системы т, а для упругих систем — периодом собственных колебаний Т.

Если £сж 5> т, то действие ударной волны определяется величиной избыточного давления на ее фронте, так как в этом случае система будет деформирована за такой промежуток времени (порядка (1/4—1/3)т), в течение которого давление во фронте не успеет существенно упасть. Если, напротив, £сж <g т, то давление за фронтом волны снижается за столь малый промежуток времени, что система практически не успеет деформироваться и дальнейшие деформации ее будут определяться приобретенным ею количеством движения, а следовательно, удельным импульсом ударной волны.

Допущение об импульсном характере действия ударной волны является приемлемым для 1^ ^ 0,25 т. Статический характер действия ударной волны имеет место в случае ^ ^ 10 т. Если Сж одного порядка с т, то характер действия ударной волны на систему будет промежуточным между импульсным и статическим. Тогда действие ударной волны на систему определяется 88

некоторой головной частью удельного импульса, и для оценки действия взрыва нужно знать всю функцию /^p(f).

Огромное значение для оценки параметров ударных волн и их действия имеет закон подобия при взрывах, позволяющий сравнивать характеристики ударных волн, возбужденных взрывами зарядов разной массы, состоящих из разных ВВ, и даже взрывами различной природы.

Сущность закона подобия сводится к тому, что параметры ударной волны останутся неизменными, если шкалы длины и времени изменить во столько же раз, во сколько изменяются размеры заряда. Наиболее просто формулируется геометрический закон подобия, согласно которому расстояние R^p^, где при взрыве в ударной волне регистрируется некоторое избыточное давление Ар1? пропорционально радиусу заряда г0:

R (Api) " airo*(III.1)

Следовательно, если при взрыве заряда радиусом г01 некоторое избыточное давление Арт регистрируется на расстоянии Rt от центра взрыва, то при взрыве заряда радиусом г02 то же самое давление Арт будет иметь место на расстоянии R2) удовлетворяющем условию

-^1/^2 “ ^01/^*02’(Ш.2)

а избыточное давление ударной волны ^рг является однозначной функцией отношения радиуса заряда г0 к расстоянию от центра взрыва до 10чки наблюдения R;

kPi = Hr<JR\(Ш.З)

Закон подобия в такой форме имеет весьма узкое применение, ограниченное зарядами из одного и того же ВВ, одинаковой формы и плотности. Более широкую область применения он приобретает, если вместо радиуса заряда используется корень кубический из его массы G. Это обобщенный геометрический закон подобия. Согласно этому закону выражения (III.1) — (Ш.З) выглядят так:

=(Ш.4)

(III.5)

/ Гр \

Легко видеть, что при заданных плотности и форме заряда величина V^ определяет и его линейные размеры. Величину R = R]VG называют приведенным расстоянием. Согласно выражениям (III.4) и (III.6) избыточное давление Арт является однозначной функцией R. При вычислениях R и при

89

расчетах по формулам (III.1)—(III.6) значение R нужно брать в м, a G — в кг.

Обобщенный геометрический закон подобия можно применять более широко, в частности для зарядов различной плотности (но лишь для некоторых из них, так как у многих ВВ с изменением плотности меняется и удельная теплота взрыва). -Закон подобия в такой форме нельзя применять для сравнения взрывов зарядов из ВВ с различной удельной теплотой взрыва q. Действительно, энергия ударной волны определяется не массой заряда G, а выделившейся при взрыве энергией Е ~ Gq, поэтому в общем случае вместо отношения |/G[R в формуле (II 1.6) следует применять ;/E/R. Следовательно, в наиболее общем виде

\Р1 = Ш/"Ё!НУ(Ш.7)

Это энергетический закон подобия. Для применения обобщённого геометрического закона в энергетической форме следует вместо массы заряда G использовать его тротиловый эквивалент Сэкв, т. е. массу такого заряда тротила, при взрыве которого выделяется та же энергия, что й при взрыве заряда массой G.

Величина

г „ Gq

^экв п >

УТНТ

где q — удельная теплота взрыва ВВ, из которого состоит данный заряд данной массы G; дтнт — удельная теплота взрыва тротила; обычно берут дднт = 1000 ккал/кг, что соответствует тротилу высокой плотности.

При применении законов подобия необходимо иметь в виду следующее: если размеры заряда изменены в п раз, длительность действия фазы сжатия также изменится в п раз, поэтому время действия фазы сжатия 1СЖ при использовании соответствующих форм законов подобия выразится так:

/ _гр( \ •

'сж 7 О1 1 I D ) 1

(Ш.8)(Ш.8)

(Ш.8)

(Ш.8)

Время действия фазы сжатия 1СЖ и избыточное давление Ар как функциональные параметры входят в значение импульса ударной волны, поэтому величина удельного импульса I в соответствии с обобщенным геометрическим законом подобия, а при использовании 6ЭКВ — в соответствии с энергетическим законом

определяется как

(Ш.9)(Ш.9)

(Ш.9)

(Ш.9)

В последующих разделах будут приведены некоторые экспериментальные результаты по определению вида функций /, F, ф. Необходимо иметь в виду, что существуют некоторые условия правильного использования закона подобия. Прежде всего, сле- " дует сравнивать подобные по форме заряды или по крайней мере заряды близкой формы. Более того, для зарядов, отличающихся по форме от сферы, параметры ударных воли надо сравнивать только по одинаковым направлениям. Ниже отсутствие указаний о направлении будет означать, что имеются в виду взрывы зарядов, по форме близких к сфере, или ударная волна рассматривается на таких больших расстояниях, что и несферический заряд создает там практически сферическую волну.

Действительно, при взрыве сферического заряда с инициированием в центре поле ударной волны будет обладать центральной симметрией. Если заряды по форме отличаются от сферы, поверхность ударной волны не является сферической, интенсивность ее зависит от направления от центра заряда к точке наблюдения, а также от места точки инициирования взрыва. Это объясняется тем, что в начальный момент времени продукты взрыва разлетаются по направлениям, близким к перпендикулярам к поверхности заряда (см. гл. I). Кроме того, наибольшая интенсивность ударных волн наблюдается в направлениях, перпендикулярных поверхностям заряда, которые имеют наименьший радиус кривизны, а в случае граней с одинаковым радиусом кривизны — в направлениях, перпендикулярных наибольшим по площади поверхности граням заряда. В самом деле, чем больше площадь грани заряда, тем большее количество продуктов взрыва j летит в перпендикулярном этой грани направлении, тем сильнее их поршневое действие, тем интенсивнее ударная волна, распространяющаяся в этом направлении. Асимметрия в поле ударной волны, обусловленная формой заряда, особенно существенная вблизи очага взрыва, иногда заметна и на больших расстояниях — порядка 5 ^G.

При применении законов подобия в отдельных случаях следует учитывать величину химических потерь (см. гл. I), связанных с разбросом непрореагировавшего периферийного слоя ВВ. Как уже отмечалось, оболочка снижает критический диаметр, а следовательно, и толщину разлетающегося слоя. При взрывах зарядов в плотной среде (вода, грунт) последняя играет роль массивной оболочки, поэтому химические потери невелики. При взрывах в воздухе химические потери могут быть значительны, особенно для малых зарядов и для зарядов из ВВ с большим .критическим диаметром детонации [см. формулу (1.28)].

Воздушные взрывы

При взрыве в воздухе продукты взрыва движутся вслед за удар- ной волной, «подпитывая» ее, и отрываются от нее на расстоянии Ю—14 радиусов заряда г0. После этого характер распространения

ударной волны определяется только запасом энергии, переданным ей продуктами взрыва в процессе их расширения.

В момент отрыва ударной волны от продуктов взрыва интенсивность ее достаточно велика: избыточное давление на ее фронте Apt = 15 <-20 кгс/см2, скорость распространения фронта D = = 1100 <-1400 м/с, скорость потока воздуха за фронтом их = = 900 <-1100 м/с. Тем не менее при воздушных взрывах на расстояниях меньше 10 г0 действие взрыва на преграду определяется в основном продуктами взрыва, так как они имеют значительно большую, чем воздух в ударной волне, плотность и скорость движения, сравнимую со скоростью ударной волны.

На основании анализа многочисленных экспериментальных данных М. А. Садовский вывел следующие формулы для вычисления параметров воздушной ударной волны (после отрыва ее от продуктов взрыва).

Избыточное давление на фронте волны Арн (в кгс/см2) для приведенных расстояний 1 R s< 15 определяется как

Арв=Ж+^-+-^-.(Ш.Ю)

Время действия фазы сжатия (в с)

^ = 1,51/^/^. Ю-з.(III.И)

В форме закона подобия (III.8) <сж может быть выражено как

Изменение давления во времени р (/) в фазе сжатия может быть описано как

(i ~ 77) ехр( —/Дсж).(III.12)

Величина удельного импульса фазы сжатия I (в кгс • с/м2) для R > 0,5 определяется соотношением

7 = 35-^-.(III.13)

Как видно, формулы (111.10) — (III.13) подчиняются обобщенному геометрическому закону подобия.

Указанные формулы справедливы для взрывов в неограниченном воздушном пространстве. Следует иметь в виду, что при взрывах зарядов на поверхности грунта или на расстояниях в несколько г0 от нее поверхность грунта можно считать абсолютно жесткой преградой, так как плотность грунта на три порядка больше плотности воздуха, поэтому грунт отражает в воздух практически всю энергию взрыва (за исключением нескольких процентов).

При взрыве заряда, достаточно далеко удаленного от поверхности земли и других преград, энергия взрыва распространяется в неограниченном пространстве, а при взрыве заряда на поверхности земли практически та же энергия распространяется в полупространстве. Следовательно, взрыв заряда на поверхности по параметрам ударной волны эквивалентен взрыву вдвое большего заряда в неограниченном пространстве воздуха. Учитывая этот факт и вместо G подставив 2G, из формул (ШЛО), (III.il) и (III.12) получим для определения параметров воздушной ударной волны наземного взрыва соотношения

Д/,н_-^ + 4^ + 4^;(ШЛ4)

R 1 R- R8

t^WYG^R-W-,(Ш.15)

Zh = 54-^.(HL16)

Усиление параметров ударной волны при взрыве вблизи поверхности, более жесткой, чем окружающая заряд среда, имеет место и при взрывах в воде и грунтах.

D = ^V 1 + 0,83 \Р1;D = ^V 1 + 0,83 \Р1;Зная избыточное давление во фронте ударной волны и принимая для невозмущенного воздуха р0 = 1,0332 кгс/см2; р0 = = 1,225 кг/м3 и с0 = 340 м/с, из основных уравнений гидродинамической теории (гл. I, § 5), получим для скорости фронта ударной волны D (в м/с) скорости потока воздуха за фронтом их (в м/с) и плотности воздуха во фронте рх (в кг/м3) следующие выражения:

D = ^V 1 + 0,83 \Р1;

D = ^V 1 + 0,83 \Р1;

Pj = 1,225Pj = 1,2256 Дщ + 7.2Др1 + 7.26 Дщ + 7.2Др1 + 7.2235 ^p\ил = г ...=1/1+0,83Дщ

Pj = 1,225

Pj = 1,225

6 Дщ + 7.2

Др1 + 7.2

6 Дщ + 7.2

Др1 + 7.2

Допустим теперь, что воздушная ударная волна с избыточным давлением kpv падает на жесткую неподвижную преграду, причем направление распространения волны перпендикулярно к преграде. При столкновении ударной волны с преградой ее передний слой затормозится, скорость воздушного потока этого слоя станет равной нулю. За счет торможения произойдет дополнительное повышение давления у преграды. В следующий момент очередной слой волны, натолкнувшийся на уже остановившийся слой, затормозится сам. Торможение будет последовательно охватывать слой за слоем, и по падающей на преграду волне в направлении, противоположном ее движению, пойдет волна дополнительного сжатия, называемая отраженной.

Избыточное давление на преграде при отражении ударной волны Дротр составит

<I1L20)

Таким образом, законы упругости справедливы лишь для весьма слабых волн с Арх 0; тогда Аротр ~ ^Pv напро-

пвпвововГВГВМгМгтив, если рхQiтив, если рхQi08 П608 П6> ^0, Т0 ^ОТР ^Nv> ^0, Т0 ^ОТР ^NvСтоль существенное повышение давления обусловлено . торможением на преграде потока воздуха, движущегося вслед за ударной волной.

пв

пв

ов

ов

ГВ

ГВ

Мг

Мг

тив, если рх

Qi

тив, если рх

Qi

08 П6

08 П6

> ^0, Т0 ^ОТР ^Nv

> ^0, Т0 ^ОТР ^Nv

Рассмотрим теперь случай падения ударной волны градус

6060^0^02020Рис. 42. Области регулярного (/) и нерегулярного (//) отражений ударной волныРис. 42. Области регулярного (/) и нерегулярного (//) отражений ударной волны90

60

60

^0

^0

20

20

Рис. 42. Области регулярного (/) и нерегулярного (//) отражений ударной волны

Рис. 42. Области регулярного (/) и нерегулярного (//) отражений ударной волны

О 0.2 ОА 0.6О 0.2 ОА 0.680

О 0.2 ОА 0.6

О 0.2 ОА 0.6

02

Рис. 41. Схема отражения ударной волны при падении се на преграду под углом

на преграду под углом. Пусть взрыв происходит в точке Ох (рис. 41). При малых углах падения фх на поверхность МХМ^ падающая ударная волна ПВ образует отраженную ОВ (точки А и В). Если интенсивность падающей волны мала, то отраженная волна как бы распространяется из точки О2> являющейся зеркальным отображением точки взрыва Ох. С увеличением угла фг угол между фронтами падающей и отраженной волн уменьшается. Отраженная волна движется по воздуху, сжатому и разогретому падающей волной, поэтому ее фронт распространяется со скоростью, большей скорости фронта падающей волны. При некотором угле ф* часть фронта отраженной волны догонит падающую волну и, слившись с ней, образует так называемую головную волну ГВ (точки С и D на рис. 41). С ростом угла ф область головной волны увеличивается. Отражение при углах ф > ф*, когда образуется головная волна, называют нерегулярным. Предельный угол ф* в зависимости от массы заряда G и высоты его подвеса h может быть определен по кривой рис. 42.

До значения ф — 20° давление при отражении близко к давлению Ротр, определяемому формулой (III.20). При дальнейшем увеличении угла ф давление быстро падает. Однако в области регулярного отражения при Арх ^ 3 кгс/см2 давление в отраженной волне с достаточной степенью точности можно найти по формуле (II 1.20) для

— h 1yG COS ф

Избыточное давление в головной волне в области ф* ^ ф ^ 90° определяется формулой

Арф = Ар7 (1 + cos ф),(III.21)

где Ар7 — избыточное давление при наземном взрыве, рассчитанное согласно (III.14) при R = R'lVG, где R’ = h tg у.

В зависимости от угла падения ударной волны импульс при отражении определяется формулами:

Лр —54—— (1 + созф)(III.22)

для 0 < ф < 45е;

/ф — 54 —р— (1 + cos2 ф)(III.23)

для 45° ф 90е.

При помощи приведенных формул можно найти параметры ударной волны, действующей при воздушном взрыве на грунт, для самых различных практических случаев.

Изложенные выше общие закономерности, связанные с отражением ударной волны от жесткой неподвижной преграды, справедливы и для взрывов в других средах. Следует иметь в виду, однако, что в таких средах, как грунт и вода, скорость движения среды за фронтом ударной волны во много раз меньше, чем при взрывах в воздухе. В связи с этим эффект отражения при взрывах в плотных средах выражен заметно слабее, например давление при отражении возрастает не более чем в 3 раза по сравнению с давлением в волне, падающей на преграду. Отклонения от акустического поведения (удвоение давления при отражении) при взрывах в воздухе заметны для ударных волн с &рх = = О’, 1 кгс/см2, при взрывах в воде — для волн с Арх = 3000 кгс/см2.

Взаимодействие ударных волн, вызванных взрывами двух или более отдельных зарядов, во многом подобно отражению Ударной волны от жесткой неподвижной преграды. Когда фронты падающих друг на друга волн в точке взаимодействия параллельны, имеет место прямая аналогия. Характер взаимодействия при пересечении фронтов волн определяется их интенсивностью.

На рис. 43 приведены схемы взаимодействия слабых и силь

ных ударных волн; для простоты рассматриваются плоские

фронты. В случае слабых волн давление позади пересечения фронтов ударных волн равно 2рг, т. е. удвоенному давлению в каждой ударной волне, причем границы этой области образуют

Рпс. 43. Схема взаимодействия фронтов слабых (а) п сильных (б) ударных волнРпс. 43. Схема взаимодействия фронтов слабых (а) п сильных (б) ударных волнс линией ООг (осью симметрии) такие же углы, как и сами фронты до их пересечения. Давление при пересечении фронтов волн с существенной амплитудой распределяется иначе: позади области пересечения оно превышает 2рг; фронты повышенного давления наклонены к линии ООг круче, чем начальные фронты, вблизи от линии

Рпс. 43. Схема взаимодействия фронтов слабых (а) п сильных (б) ударных волн

Рпс. 43. Схема взаимодействия фронтов слабых (а) п сильных (б) ударных волн

ООУ между фронтами падающих волн ■ образуется

«мостик» АВ (аналогично

зоне нерегулярного отражения). Указанные явления выражены тем сильнее, чем больше сжимаемость среды и интенсивность взаимодействующих ударных волн. Для оценки давлений при взаимодействии ударных волн могут быть использованы формулы (III.20)—(III.23).

§ 3. Подводные взрывы

Параметры ударных волн при взрыве конденсированныхвзрывчатых веществ в воде

При подводном взрыве в момент выхода детонационной волны на поверхность заряда в воде начинает распространяться ударная волна. Вслед за ней движется граница раздела продукты детонации — вода, и в воде образуется полеСть с ^газообразными продуктами детонации.

При детонации заряда из прессаванного тротила в прилегающем слое воды давление на фронте/ударной волны достигает 130 000 кгс/см2, плотность воды,возрастает в 1,7 раза, а начальная скорость перемещения фронта ударной волны составляет 5500 м/с. При таких давлениях сжимаемость воды приводит к сильной диссипации энергии в ударной волне в ближней зоне взрыва. По расчетам И. Г. Кирквуда и С. Р. Бринкли [3], в первоначальный момент энергия ударной волны составляет 53% энергии, выделившейся при взрыве. После распространения на расстояние 10 радиусов заряда в результате потерь на сжатие и 96

разогрев воды энергия ударной волны снижается до 32%, а на расстояниях, превышающих 1000 радиусов заряда, — до 24%.

На расстоянии 10 радиусов заряда давление на фронте волны при взрыве тротила снижается до 1150 кгс/см2. Радиус полости с продуктами детонации к этому моменту увеличивается примерно в 3 раза, а давление внутри полости падает до 100 4- 150 кгс/см2.

Параметры ударной волны на расстоянии от 10 до 900 радиусов заряда удобно оценивать по эмпирическим зависимостям, предложенным Р. Коулом.

Профиль ударной волны в первом приближении описывается экспонентой:

Pt = Pi ехр( —i/0).(II 1.24)

Давление (в кгс/см2) на фронте ударной волны можно рассчитать по формуле

,(III.25)

а постоянную времени экспоненциального убывания давления — по формуле

/ V7T V°>24 з /—

о-p-—jVg io-\ . (in.26)

. где G — масса заряда тротила (в кг) или (с меньшей точностью) масса заряда в тротиловом эквиваленте; R — расстояние от заряда до точки наблюдения (в м). Величина 6 определяет время, в течение которого давление в волне падает в е раз.

При отражении от жесткой преграды величина удельного импульса ударной волны (в кгс-с/м2) может быть оценена по приближенной формуле

Z2-/3

7^930-^—.(III.27)

ГТ/'"/ кгс • см \

Плотность потока энергий ударной волны (в—■ ) на рас

стоянии R

Еп — 100Vg" (^р)2’1 •(Ш.28)

Как видно из формулы (III.25), падение давления на фронте сферической ударной волны с увеличением расстояния R проис- * ходит несколько быстрее, чем у сферической акустическом волны, амплитуда которой обратно пропорциональна пройденному расстоянию R. Постоянная времени затухания давления в ударной волне с увеличением расстояния от заряда возрастает пропорционально У?0’24. ЭтИ отклонения от законов распространения акустических волн сохраняются по крайней мере до избыточного давления в волне порядка 1 кгс/см2.

На больших расстояниях от взрыва на профиль волны начинает оказывать влияние поглощение высокочастотных составляющих

спектра волны, которое обусловлено вязкостью и неоднородностью реальной среды. Изменение скорости звука в воде в зависимости от температуры, глубины и солености вызывает искривление траекторий волн. В совокупности эти явления на больших расстояниях от взрыва приводят к постепенному размыванию фронта ударной волны.

При прохождении плоской акустической волны через границу раздела двух сред с разной акустической жесткостью роао и Pi«i (где р — плотность среды, а — скорость звука) амплитуды давления преломленной рпр и отраженной ротр волн определяются следующими соотношениями:

Рпр _2р1«1cos аРоР1й1 cosa + p0a0 J/ 1 — ।/ «1 V . Q '—- 1 sin2 а\ ао /Ротр-51^L cos а — 1/ 1 — f РодоV\ал X 2 , Л — ) sin2 а «о /Ро-21^1 cos а + "l/" 1 — ( РоаоV\—-) sin2 а До 7Рпр _2р1«1cos аРоР1й1 cosa + p0a0 J/ 1 — ।/ «1 V . Q '—- 1 sin2 а\ ао /Ротр-51^L cos а — 1/ 1 — f РодоV\ал X 2 , Л — ) sin2 а «о /Ро-21^1 cos а + "l/" 1 — ( РоаоV\—-) sin2 а До 7(III.29)(III.29)(Ш.ЗО)(Ш.ЗО)

Рпр

_2р1«1cos а

Ро

Р1й1 cosa + p0a0 J/ 1 — ।

/ «1 V . Q '

—- 1 sin2 а

\ ао /

Ротр

-51^L cos а — 1/ 1 — f

РодоV\

ал X 2 , Л — ) sin2 а «о /

Ро

-21^1 cos а + "l/" 1 — ( РоаоV\

—-) sin2 а До 7

Рпр

_2р1«1cos а

Ро

Р1й1 cosa + p0a0 J/ 1 — ।

/ «1 V . Q '

—- 1 sin2 а

\ ао /

Ротр

-51^L cos а — 1/ 1 — f

РодоV\

ал X 2 , Л — ) sin2 а «о /

Ро

-21^1 cos а + "l/" 1 — ( РоаоV\

—-) sin2 а До 7

(III.29)

(III.29)

(Ш.ЗО)

(Ш.ЗО)

где р0 — амплитуда давления падающей волны в среде с акустической жесткостью роао; а — угол падения волны.

Отношение акустических сопротивлений воды и воздуха составляет около 3400, а отношение скоростей звука 4,4, поэтому при выходе ударной волны на свободную поверхность воды согласно выражениям (III.29), (Ш.ЗО) амплитуда отраженной волны ротр = —р0, а амплитуда преломленной волны пренебрежимо мала. Отраженная волна представляет собой волну разрежения, поскольку акустическая жесткость воздуха меньше, чем воды. Хотя чистая дистиллированная вода способна выдерживать значительные растягивающие усилия, в реальных условиях ее поверхностный слой насыщен газовыми пузырьками и не выдерживает растягивающих усилий, превышающих атмосферное давление. В связи с этим при отражении волны с амплитудой более 1 кгс/см2 в поверхностных слоях возникают кавитационные явления и амплитуда отраженной волны разрежения не превышает 1 кгс/см2.

При малых глубинах погружения заряда ВВ отраженная от поверхности волна накладывается на фазу сжатия ударной волны. В результате происходит вычитание волн, и длительность фазы сжатия ударной волны, распространяющейся в направлении дна, будет определяться глубиной погружения заряда. При взрывах заряда вблизи от поверхности образуется купол, а на совсем малых глубинах происходит прорыв газов с выбросом воды вверх. При этом значительная часть энергии теряется вследствие выброса воды и наложения на ударную волну волны разрежения. Подобное размещение заряда на практике используется для предотвращения пульсации продуктов детонации.

Йри достижении волной дна водоема образуются отраженная И преломленная волны. Если заряд достаточно удален от дна, оценить амплитуды волн можно при помощи выражений (III.29) и (III.30). При расположении заряда в непосредственной близости от дна параметры ударной волны в водном слое несколько увеличиваются (на 104-30%).

Для примера определим параметры ударной волны в воде (j»lf У", Е) на расстоянии А = 10 м от точки взрыва заряда тротила массой G = 10 кг. Найдем также радиус зоны взрыва, опасной для рыб, если минимальное поражающее давление на фронте волны составляет 10 кгс/см2.

В соответствии с формулой (III.25) величина давления во фронте ударной .8/77^1,13

волны рх = 533 ( I—— )— 117 кгс/см2.

\ 10 /

Удельный импульс фазы сжатия подсчитываем по формуле (III.27) К)2/з

7 = 930--Ц^— = 428 кгс-с/м2;

10

удельную энергию ударной волны — по формуле (II 1.28):

£41 = 100/10 l-^Q—) =Ю кгс • см/см2.

Радиус зоны поражения определяем из выражения (III.25) прп рх = = 10 кгс/см2:

D / 533 X 1/1ДЗ з —

). У 10 = 73 м.

\ 10 /

Е31000 ’Е31000 ’Если в задаче дано другое ВВ, ход решения не меняется, только вместо

Е3

1000 ’

Е3

1000 ’

массы заряда подставляется его тротиловый эквивалент, равный где Е3 — энергия взятого ВВ (ккал/кг).

Оставшаяся после излучения ударной волны энергия газообразных продуктов детонации расходуется на радиальное движение полости. В большинстве случаев движение имеет сферическую симметрию. В начальный момент внутренняя энергия газов преобразуется в кинетическую энергию сферического потока. Из-за инерции потока воды расширяющаяся сферическая полость радиусом г (рис. 44) пробегает положение равновесия г0 давлений внутри и снаружи полости и в дальнейшем совершает несколько затухающих колебаний (пульсаций) вокруг этого положения. При первом максимальном расширении полости давление газов в ней оказывается в несколько раз меньше гидростатического на глубине взрыва. При первом же сжатии давление в продуктах детонации снова повышается до 500 4-600 кгс/см2. При сжатиях полости в воду излучаются волны давления. В зависимости от глубины погружения и величины заряда может наблюдаться до 10 пульсаций.

По экспериментальным данным [3], после излучения ударной волны в продуктах детонации остается 41% энергии взрыва, после первой пульсации — 14%, а после второй — 7,6%, поэтому при оценке акустического излучения чаще всего достаточно учитывать только первые две пульсации.

Рис. 44. Зависимость радиуса полости г от времени t и профиль волны давления при подводном взрыве конденсированного ВВ.I — ударная волна; II — волна от первого сжатия полости с продуктами детонацииРис. 44. Зависимость радиуса полости г от времени t и профиль волны давления при подводном взрыве конденсированного ВВ.I — ударная волна; II — волна от первого сжатия полости с продуктами детонацииАкустическая энергия второйАкустическая энергия второйАЛ = 13,2АЛ = 13,2£11/24(10,3 + b)6/e ’£11/24(10,3 + b)6/e ’(III.32)(III.32)

Рис. 44. Зависимость радиуса полости г от времени t и профиль волны давления при подводном взрыве конденсированного ВВ.

I — ударная волна; II — волна от первого сжатия полости с продуктами детонации

Рис. 44. Зависимость радиуса полости г от времени t и профиль волны давления при подводном взрыве конденсированного ВВ.

I — ударная волна; II — волна от первого сжатия полости с продуктами детонации

Акустическая энергия второй

Акустическая энергия второй

АЛ = 13,2

АЛ = 13,2

£11/24

(10,3 + b)6/e ’

£11/24

(10,3 + b)6/e ’

(III.32)

(III.32)

Период каждой последующей пульсации меньше периода предыдущей пульсации. Период первой пульсации газовой полости Ту в зависимости от массы заряда G (в кг) и глубины его погружения К (в м) при взрыве вдали от граничных поверхностей

определяется зависимостью

(III.31)(III.31)Т

(III.31)

(III.31)

1 ’ (/г + 10,3)5/6

Для тротила коэффициент к равен 2,1.

Длительность фазы сжатия излучаемых при пульсации волн значительно превышает длительность фазы сжатия ударной волны и соответствует 10—20% периода пульсации. Максимальная амплитуда второй волны, излучаемой при первом сжатии полости в ближайшей зоне, значительно уступает амплитуде ударной волны, возбуждаемой непосредственно взрывом. Однако уменьшение во второй волне потерь на сжатие и разогрев воды в ближней зоне приводят к тому,что на расстояниях свыше 500 радиусов заряда амплитуда волны составляет уже 20—30% от давления на фронте ударной волны. Удельный импульс второй волны близок по величине к импульсу ударной волны, олны несет около 13% энергии

взрыва и сопоставима с энергией ударной волны, которая на больших расстояниях от заряда составляет примерно 24% энергии взрыва.

Во время пульсации полость с продуктами детонации всплывает. Скорость ее всплытия неравномерна и достигает максимального значения при сжатиях. В первом приближении перемещением полости вверх АЛ в течение большей части периода пульсации, когда ее размеры велики, можно пренебречь.

Эта величина за время первого сжатия при взрыве вдали от граничных поверхностей оценивается выражением

Следует отметить, что на пульсирующую полость вблизи граничных поверхностей действуют дополнительные силы. При расширении полости вблизи свободной поверхности эти силы 100

отталкивают ее от поверхности, а при сжатии полости прижимают к поверхности. Вблизи жесткой граничной поверхности направление действия сил изменяется на обратное. Эти эффекты влияют на период пульсации и скорость всплытия полости, поэтому зависимости (III.31) и (III.32) справедливы только при взрыве вдали от граничных поверхностей.

Определил! период первой пульсации 7',. величину всплытия полости за время первой пульсации Л/г, а также величины pxn 6 ударной волны па расстояния R = 16 м от точки взрыва заряда тротила массой 0,05 кг в воде на глубине h = 10 м.

В соответствии с формулой (III.31) находим период первой пульсации

Т1-'2'У®» -ад®«.

20,З5/6

Всплытие полости с продуктами детонации за время ее первого сжатия ..13.2-ООб11^24

№ == 0,27 м.

20,35/6

Давление во фронте ударной волны при R = 10 м / ф'ооУ V'13

Р! = 533 I -1 -^— )=13 кгс/см2.

Постоянная времени ударной волны

о= X У.3/о,05 .10-4 = 8.10-5 с.

\10/

Акустическое излучение расширяющейся сферической полости при малых начальных давлениях в ней

Взрыв газовых смесей, электрогидравлический разряд, выхлоп сжатого воздуха и некоторые другие источники импульсных акустических сигналов приводят к образованию в воде расширяющейся газовой полости с относительно небольшим начальным избыточным давлением и скоростью расширения полости, значительно меньшей скорости звука в воде.

При начальных давлениях газа внутри полости в несколько сотен килограмм-сил на квадратный сантиметр сжимаемость воды мало влияет на характер протекающих процессов и акустическое излучение определяется зависимостью радиуса полости от времени г;. Профиль фазы сжатия акустической волны близок к профилю ударной волны и в первом приближении также описывается экспонентой pt = рл ехр (—2/6).

Давление во фронте волны приближенно можно оценить как

А = -^-(/’н-Рг),(Ш.ЗЗ)

где гн, рн — начальный радиус полости и начальное давление газов; рг — гидростатическое давление.

Постоянная времени экспоненциального убывания давления за фронтом по экспериментальным данным определяется выражением

0=(-^)%„ (^У'2,(Ш.34)

X Рн / X Рг/

где п — 0,35 для газов с показателем адиабаты у = 1,25 (такую обычно принимают для продуктов взрыва) и п = 0,42 при у = 1,4 (для воздуха и двухатомных газов).

движениядвижения. 4л^нг®0 '“ 3(у — 1). 4л^нг®0 '“ 3(у — 1)(IIL35)(IIL35)Рис. 45. Осциллограммы сигналов:Рис. 45. Осциллограммы сигналов:а — при взрыве на i лубине 10 м сферического заряда пропан — кислород в резиновой оболочке радиусом 9 см; б — при выхлопе сжатого воздуха под давлением 120 кгс/см2 из пневматического излучателя объемом 7 л на глубине 15 ма — при взрыве на i лубине 10 м сферического заряда пропан — кислород в резиновой оболочке радиусом 9 см; б — при выхлопе сжатого воздуха под давлением 120 кгс/см2 из пневматического излучателя объемом 7 л на глубине 15 мВнутренняя энергия газов полости в начальный момент ее

движения

движения

. 4л^нг®

0 '“ 3(у — 1)

. 4л^нг®

0 '“ 3(у — 1)

(IIL35)

(IIL35)

Рис. 45. Осциллограммы сигналов:

Рис. 45. Осциллограммы сигналов:

а — при взрыве на i лубине 10 м сферического заряда пропан — кислород в резиновой оболочке радиусом 9 см; б — при выхлопе сжатого воздуха под давлением 120 кгс/см2 из пневматического излучателя объемом 7 л на глубине 15 м

а — при взрыве на i лубине 10 м сферического заряда пропан — кислород в резиновой оболочке радиусом 9 см; б — при выхлопе сжатого воздуха под давлением 120 кгс/см2 из пневматического излучателя объемом 7 л на глубине 15 м

а энергия фазы сжатия акустической волны

^сж

E^-^^dt, (III.36) О

где 1СЖ — длительность фазы сжатия.

Акустический к. п. д. расширяющейся полости (по фазе сжатия) можно записать так:

4 = ^- 100-(Ш.37)

В предположении, что профиль фазы сжатия описывается экспонентой, а ее длительность составляет 36, выражение для акустического к. п. д. имеет вид:

ч=4 X1 riSS'100-(,IL38)

На рис. 45, а приведена осциллограмма сигнала, возбуждаемого при взрыве сферического газового заряда пропан—кислород. Максимальное давление в газовой полости после взрыва составляет 34 кгс/см2, а максимальное давление во фронте первой волны рХ1 приведенное к расстоянию 1 м от центра заряда, 3,3 кгс/см2. Примерно через 13 мс после прихода первой волны появляется отраженная от поверхности воды волна разрежения р1отр. При сжатии полости излучается вторая волна р2> а вслед за ней регистрируется отраженная волна р2отр-

Период первой пульсации продуктов взрыва в этом случае определяется выражением

Т\ =(IIL39)

(/г + 10,3)5/6

где Fo — объем газовой взрывчатой смеси при давлении 1 кгс/см2 и температуре 20 °C.

Для стехиометрической смеси пропан—кислород коэффициент к = 0,30-40,33.

Остановимся на работе пневматических излучателей, использующих эффект физического взрыва. При выхлопе сжатого воздуха вблизи выхлопного отверстия образуется расширяющаяся газовая сферическая полость. На рис. 46, а приведены кадры

киносъемки подводного выхлопа сжатого воздуха при давлении 100 кгс/см2 из камеры объемом 1 л с выхлопным отверстием 65 мм. Центр тяжести камеры (см. кадр 7) расположен в точке

пересечения сплошной и пунктирной линий; вдоль последней происходит истечение сжатого воздуха. В момент достижения полостью максимальных размеров (кадр 7) форма ее близка к сферической. Начиная с кадра 5, соответствующего моменту первого сжатия полости, нарушается прозрачность поверхности воды и форма полости на снимке становится нечеткой.На рис. 45, б видно, что максимальное давление в газовой полорти и в акустической волне достигается не в начальныймомент выхлопа, а с некоторой задержкой. Время этой задержки зависит от скорости открытия выхлопного отверстия и от к объему камеры.Период первой пульсации данным определяется с точнопересечения сплошной и пунктирной линий; вдоль последней происходит истечение сжатого воздуха. В момент достижения полостью максимальных размеров (кадр 7) форма ее близка к сферической. Начиная с кадра 5, соответствующего моменту первого сжатия полости, нарушается прозрачность поверхности воды и форма полости на снимке становится нечеткой.На рис. 45, б видно, что максимальное давление в газовой полорти и в акустической волне достигается не в начальныймомент выхлопа, а с некоторой задержкой. Время этой задержки зависит от скорости открытия выхлопного отверстия и от к объему камеры.Период первой пульсации данным определяется с точноРис. 46. Кадры киносъемки подводного выхлопа из камеры объемом 1 л при давлении 100 кгс/см2.1—8 — номера кадров. Промежутки времени между кадрами 0,015 сРис. 46. Кадры киносъемки подводного выхлопа из камеры объемом 1 л при давлении 100 кгс/см2.1—8 — номера кадров. Промежутки времени между кадрами 0,015 сотношения площади отверстияТг (в с) по экспериментальным зтыо до 10% следующей зависиотношения площади отверстияТг (в с) по экспериментальным зтыо до 10% следующей зависи

пересечения сплошной и пунктирной линий; вдоль последней происходит истечение сжатого воздуха. В момент достижения полостью максимальных размеров (кадр 7) форма ее близка к сферической. Начиная с кадра 5, соответствующего моменту первого сжатия полости, нарушается прозрачность поверхности воды и форма полости на снимке становится нечеткой.

На рис. 45, б видно, что максимальное давление в газовой полорти и в акустической волне достигается не в начальныймомент выхлопа, а с некоторой задержкой. Время этой задержки зависит от скорости открытия выхлопного отверстия и от к объему камеры.

Период первой пульсации данным определяется с точно

пересечения сплошной и пунктирной линий; вдоль последней происходит истечение сжатого воздуха. В момент достижения полостью максимальных размеров (кадр 7) форма ее близка к сферической. Начиная с кадра 5, соответствующего моменту первого сжатия полости, нарушается прозрачность поверхности воды и форма полости на снимке становится нечеткой.

На рис. 45, б видно, что максимальное давление в газовой полорти и в акустической волне достигается не в начальныймомент выхлопа, а с некоторой задержкой. Время этой задержки зависит от скорости открытия выхлопного отверстия и от к объему камеры.

Период первой пульсации данным определяется с точно

Рис. 46. Кадры киносъемки подводного выхлопа из камеры объемом 1 л при давлении 100 кгс/см2.

1—8 — номера кадров. Промежутки времени между кадрами 0,015 с

Рис. 46. Кадры киносъемки подводного выхлопа из камеры объемом 1 л при давлении 100 кгс/см2.

1—8 — номера кадров. Промежутки времени между кадрами 0,015 с

отношения площади отверстия

Тг (в с) по экспериментальным зтыо до 10% следующей зависи

отношения площади отверстия

Тг (в с) по экспериментальным зтыо до 10% следующей зависи

мостью:

(Ш.40)(Ш.40),_ 0,145 (pHFo)1/3

(Ш.40)

(Ш.40)

1(10,3-Ю5/6

где рн — начальное давление воздуха в камере; Vo — объем камеры (в л).

Максимальная амплитуда давления (в кгс/см2) первой волны на расстоянии R с точностью до 20%

Рх = 0,015Рх = 0,015роП'8роП'8(Ш.41)(Ш.41)

Рх = 0,015

Рх = 0,015

роП'8

роП'8

(Ш.41)

(Ш.41)

а длительность ее фазы сжатия (в с) при рн = 100—150 кгс/см2

^<-0,0084 3^<-0,0084 3/18,3\1/2I 10 3 к )/18,3\1/2I 10 3 к )(111.42)(111.42)

^<-0,0084 3

^<-0,0084 3

/18,3\1/2

I 10 3 к )

/18,3\1/2

I 10 3 к )

(111.42)

(111.42)

Акустический к. п. д. по фазе сжатия первой волны в значительной мере зависит от параметров конструкции пневматического излучателя и при начальных давлениях сжатого воздуха в камере 100—150 кгс/см2 находится в пределах 2—5%.

Рассмотрим кратко процессы, протекающие при электриче ском заряде в воде. При подключении к размещенным в воде

Рис. 47. Осциллограммасигнала электрогидравтпче-ского разряда с энергией7 кДж на глубине 15 м

— । _-।IIL

" 481216 ^мс

электродам высоковольтного конденсатора под действием электрического напряжения происходит пробой межэлектродного промежутка. При этом образуется канал разряда, замыкающий межэлектродный промежуток. Разрядный ток достигает десятков тысяч ампер и разогревает плазму до температуры порядка 10^.

Электрическая энергия батареи конденсаторов (в Дж) Е^-^,(III.43)

где С — емкость, U — напряжение, выделяется в канале разряда и расходуется на расширение и разогрев вещества в канале. До 20% энергии разряда может расходоваться на возбуждение волны сжатия и около 30% — на пульсацию газовой полости. Период первой пульсации оценивается выражением

(III.44)(III.44)«7W-

(III.44)

(III.44)

(1+0,1Л)5/6

Амплитуда и длительность фазы сжатия первой волны зависят от параметров разрядной емкости С и Д расстояния между электродами, электропроводности (солености) воды. При первом перерасширении образовавшейся после разряда парогазовой полости происходит конденсация паров воды, что увеличивает интенсивность сжатия полости. В связи с этим амплитуда второй волны, как правило, превышает первую, а третья и последующие волны значительно уступают по амплитуде первым двум. На рис. 47 приведена осциллограмма сигнала электро- гидравлического разряда с энергией Е — 7 кДж на глубине h = 15 м.

Знание картины возбуждения сейсмического сигнала в воде позволяет правильно выбрать тип источника при проектировании сейсморазведочных работ. Увеличение энергии источника и соответственно амплитуды сигнала с целью повышения глубинности исследования не всегда целесообразно, поскольку возникает опасность поражения живых организмов водоемов. Остро встает вопрос о выборе не только оптимального типа источника, но и оптимальных параметров сигнала с точки зрения максимального сосредоточения энергии сигнала в рабочем диапазоне частот. Длительность фазы сжатия первой волны, период пульсации и глубина погружения источника являются основными параметрами, определяющими распределение энергии сигнала по различным полосам частот.

Рассмотрим простейшие примеры вычисления параметров ст палов при взрыве газовых смесей и выхлопе сжатого воздуха

Пример L Сферический заряд газовой смеси объемом 70 — 20 л в резиновой оболочке расположен на глубине h — 10 м. После взрыва начальное давление в полости рн = 37 кгс/см2, показатель адиабаты продуктов взрыва у = 1,25

Определить амплитуду давления во фронте и постоянную времени экспоненциального спада давления 9 первой волны на расстоянии R = 10 м, период первой пульсации Тг и акустический к. п д. первой волны по фазе сжатия г)

Решение. Радиус заряда на глубине h — 10 м при гидростатическом давлении рГ — 2 кгс/см2 определяется следующим выражением:

г 4лрг г 4л *2

Амплитуда давления во фронте первой волны на расстоянии R = 10 м имеет порядок

Р1^-^-(Рн—Рг) = 10 --Зв —0,47 кгс/см2.

Постоянная времени экспоненциального спада давления определяется по формуле (III.34):

в=(= )".”o.J34( ” )1'= = 0.0034«.

Согласно выражению (III 39), период первой пульсации

Тг= ° 5/20 =6 с,

20,36/6

Акустический к. п. д. по фазе сжатия первой волны (III.38)

3(125-1)(35-104)2.100%

1500-1001/2 (37.104)1.35 (2 - 104)0,15^1/0’

Пример 2, Определить параметры первой волны pv £сж на расстоянии R = 10 м и период первой пульсации Т\ при выхлопе сжатого воздуха на глубине h — 8 м из камеры объемом 7 л при начальном давлении рн = — 120 кгс/см2.

Решение. Максимальная амплитуда первой волны. 71/3

/>1 = 0,015=0,35 кге/см2.

Длительность фазы сжатия первой волны

<еж = 0,008-71/3 = 0,015 с.

Период первой пульсации

„0,145-(120-7)1/3

11 == 0,12 с.

18,35/6

§ 4. Действие взрыва в грунтах

Встречающиеся в природе грунты весьма разнообразны по своим физико-механическим свойствам. Условно их можно разделить на два класса: скальные и пористые. К пористым грунтам относятся пески, глины, суглинки, лёссы, песчаники, туфы и т. д. Поскольку при сейсморазведке взрывы производят главным образом в пористых грунтах, им и будет уделено основное внимание.

Грунт представляет собой совокупность твердых минеральных частиц, находящихся в контакте друг с другом и образующих скелет. Промежутки между твердыми частицами заполнены водой и воздухом. Таким образом, в общем случае грунт является трехкомпонентной средой.

Для определения грунта как трехкомпонентной среды введем следующие обозначения:

ах, а2, а3 — содержание в грунте по объему газообразного, жидкого и твердого компонентов (сц + а2 + аз = И?

Pi* р2> Рз — плотность каждого из указанных компонентов (рг = 1.2 X X 10"3 г/см3, р2 = 1 г/см3, р3 = 2,6 -н 2,8 г/см3);

Ро ~ ^iPi 4- а2р2 4- азРз — плотность грунта;

Р = а} + а2 — пористость грунта;

w = ■— влажность грунта:

^ЗрЗ

V ~ азРз — объемная масса скелета грунта.

Грунты по плотности не слишком сильно отличаются от воды, но, благодаря пористости и, главное, наличию в порах воздуха, условия распространения в них ударных волн резко отличаются от условий в жидких средах. При сжатии грунта сначала дроис- ходит сближение твердых частиц за счет сокращения объема пор, занятых воздухом, азатем уже при высоких нагрузках — уплотнение частиц скелета и воды в порах. Так как пористость грунтов достигает 0,3—0,5, зона их уплотнения за счет сближения твердых частиц во много раз больше зоны уплотнения самих частиц.

В слоях грунта, расположенных ниже уровня грунтовых вод н на дне водоемов, поры заполнены водой и небольшим (ах не более нескольких сотых) количеством воздуха, который не сооб- 106

дается с атмосферой и находится в виде отдельных пузырьков в защемленном (изолированном водой от атмосферы) состоянии. Эти грунты называют водонасыщенными* В слоях, лежащих выше уровня грунтовых вод, содержание воздуха превышает содержание воды и воздух сообщается с атмосферой. Такие грунты называют неводонасыщенными.

В водонасыщенных грунтах энергия взрыва передается в основном по воде, поэтому так же, как и при взрывах в воде, действие взрыва в таких грунтах по своему характеру близко к гидростатическому давлению, направленному одинаково во все

Рис. 48. Зависимость напряжения от деформации грунта.Рис. 48. Зависимость напряжения от деформации грунта.1 — водонасыщенный грунт; 2 — неводонасыщенный грунт; 3 — для неводонасыщенного грунта при снятии нагрузки1 — водонасыщенный грунт; 2 — неводонасыщенный грунт; 3 — для неводонасыщенного грунта при снятии нагрузкиРис. 49. Вид фазы сжатия взрывной волны в неводонасыщенном грунте при некотором удалении от очага взрываРис. 49. Вид фазы сжатия взрывной волны в неводонасыщенном грунте при некотором удалении от очага взрыва

Рис. 48. Зависимость напряжения от деформации грунта.

Рис. 48. Зависимость напряжения от деформации грунта.

1 — водонасыщенный грунт; 2 — неводонасыщенный грунт; 3 — для неводонасыщенного грунта при снятии нагрузки

1 — водонасыщенный грунт; 2 — неводонасыщенный грунт; 3 — для неводонасыщенного грунта при снятии нагрузки

Рис. 49. Вид фазы сжатия взрывной волны в неводонасыщенном грунте при некотором удалении от очага взрыва

Рис. 49. Вид фазы сжатия взрывной волны в неводонасыщенном грунте при некотором удалении от очага взрыва

стороны. В связи с этим напряжение в волне о (2) равно р (^) — напряжению, действующему в направлении распространения волны, т. е. нормальному (радиальному) напряжению. При взрывах в неводонасыщенных грунтах так же, как и в твердых телах, напряженное состояние в каждой точке пространства определяется уже двумя величинами: нормальным р (2) и тангенциальным (боковым) рх (() напряжениями. В связи с этим в неводонасыщенных грунтах среднее напряжение

р + ^Рх pV^^t)

°3~3

где к^— коэффициент бокового давления, изменяющийся в пределах 0,3—0,5 в песчаных грунтах, 0,4—0,6 в глинах и суглинках, 0,3—0,4 в лёссах.

Характер зависимости деформации грунта е от напряжения о также зависит от водонасыщенности грунта. На рис. 48 показаны диаграммы о (е) для водонасыщенного (7) и неводонасыщенного (2) грунтов. В водонасыщенных грунтах а(е) имеет один и тот же знак ^~ >- 0 поэтому волны с увеличением амплитуды

давления распространяются с большей скоростью, вследствие чего скачок давления на их фронте сохраняется. В неводонасыщенных грунтах кривая а (е) при малых напряжениях, близких к упругим, является вогнутой, знак кривизны -^- << U (при больших а ~г > 0). Если знак кривизны кривой о (е) изменяется, то на участке смены знака возмущения с меньшей амплитудой начинают распространяться с более высокой скоростью, чем возмущения с большей амплитудой. Происходит размыв скачка давления, и взрывная волна из ударной превращается

Рис. 50. Зависимость скорости распространения взрывной волны от расстоянияРис. 50. Зависимость скорости распространения взрывной волны от расстоянияв волну с постепенным нарастанием давления (рис. 49).

Рис. 50. Зависимость скорости распространения взрывной волны от расстояния

Рис. 50. Зависимость скорости распространения взрывной волны от расстояния

Таким образом, при взрыве в неводонасыщенном грунте до определенных значений о (до определенного приведенного расстояния К = —~ I сохраняется скачкооб- т е '

разный фронт волны, после чего возмущения с малой амплитудой выходят вперед и фронт волны начинает распространяться с большей скоростью, чем движется максимум напряжения. Типичная зависимость скорости распространения взрывной волны в грунте приведена на рис.

50: D — скорость распространения фронта волны, Dm — скорость распространения максимума напряжения. При ослаблении волны с удалением ее от очага взрыва величина!) уменьшается. При определенном Ro величина D уменьшается до скорости звука с0 (или скорости распространения продольных волн УР) в невозмущенном грунте и после этого остается практически постоянной, в то время как Dnt продолжает падать. Начиная с Ro, происходит размыв скачкообразного фронта волны. В зависимости от типа грунта и его водосодержания величина Ro изменяется от 0,4 до 0,7.

Следует отметить, что при взрывах в грунте основная часть энергии взрыва необратимо расходуется на его разрушение и преодоление сил трения при пластическом течении.

Вследствие указанных выше отличий взрывныэ волны, распространяющиеся в грунтах, будем называть волнами с ж а т и я.

Неодинаково поведение грунтов и при разгружении. Если в водонасыщенном грунте разгрузка и повторное нагружение происходят по кривой, практически совпадающей с кривой нагрузки (см. рис. 48, кривая 7), то в неводонасыщепных грунтах

такое совпадение имеет место только для напряжений, не превосходящих предел упругости as. При a > as сместившиеся частицы не возвращаются в исходное положение, сохраняется некоторая остаточная деформация еост < етах, где бтах — максимальное значение деформации, от которого началась разгрузка. Характерный вид кривой а(е) при разгрузке неводонасыщенного грунта показан на рис. 48 пунктиром. Вторичное нагружение до величины напряжения атах,» достигнутого при первом сжатии, происходит в первом приближении по закону разгрузки. Предел упругости при повторном сжатии практически равен максимальному напряжению, достигнутому при первой нагрузке. Это связано с тем, что при вторичной нагрузке до Отах, новых существенных изменений структуры грунта не происходит.

Скальные грунты (граниты, гнейсы, известняки и др.) характеризуются большой плотностью, близкой к плотности твердого компонента. Сжимаемость скальных грунтов мала, вследствие чего волны сжатия распространяются в них с большими скоростями и слабее затухают с расстоянием, чем при взрывах в пористых грунтах. В большей части скальных грунтов имеются системы трещин; с возрастанием трещиноватости уменьшается скорость распространения волн сжатия и возрастает коэффициент их затухания.

Явления, происходящие при взрывах в грунтах

Все процессы, происходящие в грунте при взрыве (образование каверны, выброс и разрушение грунта, образование сейсмической волны и т. д.), неразрывно связаны с прохождением волны сжатия и должны изучаться с учетом анализа закономерностей движения взрывных волн.

При взрыве заряда на достаточной глубине, когда поверхность грунта не претерпевает "изменений (такой взрыв называют взрывом полного камуфлета), расширяющиеся продукты взрыва образуют в грунте газовую полость, или каверну. Расширение каверны эквивалентно действию сферического поршня, возбуждающего в окружающем грунте волну сжатия. При взрывах в водонасыщенных грунтах происходит несколько (обычно не более 2—3) пульсаций каверны, аналогичных пульсациям газового пузыря при подводном взрыве. В неводонасыщенных грунтах пульсации каверны незначительны и их можно не учитывать. Одновременно с расширением каверны продукты детонации проникают в поры примыкающего к ней грунта, вытесняя из них воду; вокруг каверны образуется область осушенного грунта.

При взрывах сосредоточенных зарядов образующаяся каверна имеет форму, близкую к сферической. С течением времени стенки каверны начинают оползать, размеры ее уменьшаются и она разрушается. В водонасыщенных песках разрушение

109

каверны происходит в течение нескольких суток. В неводонасыщенных песчаных грунтах каверны начинают разрушаться сразу же после взрыва, в неводонасыщенных глинистых грунтах они могут сохранять устойчивость в течение нескольких лет.

Радиус образовавшейся каверны гк, как показали опыты, связан с массой заряда G соотношением

Tk^^V^G, (III.46) где кк— коэффициент, зависящий от свойств грунта. Для грунтов с большим содержанием влаги (w = 15-420% и более) кК = 0,6-40,7, для неводонасыщенных грунтов кК = 0,4-40,5. Радиус осушенной зоны (при взрывах в водонасыщенных грунтах) гос на 20—30% превышает радиус каверны гк.

Кроме каверны или зоны вытеснения, взрыв в грунтах характеризуют еще две зоны: зона разрушения и зона сотрясения.

Зона разрушения представляет собой область, в которой грунт уплотнен и структура его нарушена. При взрывах в пористых грунтах зоной разрушения является зона пластических деформаций. При взрывах в грунтах скального типа зона разрушения разделяется на две области: зону раздавливания, где грунт интенсивно раздроблен и раздавлен, и зону разрыва с разветвленной системой радиальных и кольцевых (тангенциальных) трещин. Зоной сотрясения — (упругой зоной) называют область, в которой волна сжатия ослабевает настолько, что уже не может изменить связи между частицами грунта и производит лишь более или менее интенсивные сотрясения грунта, ослабевающие по мере удаления точки наблюдения от очага взрыва.

Поведение грунта при взрыве — сложный процесс, значительная часть которого протекает под одновременным воздействием продуктов взрыва, волны сжатия, а также волн разгрузки (растяжения). На первой стадии процесса вблизи заряда основную роль играют продукты взрыва. Их действием в основном определяется разрушение грунта, примыкающего к заряду, вытеснение грунта и образование каверны. Однако давление в продуктах взрыва по мере их расширения быстро падает. Как уже отмечалось (см. гл. I), расширение продуктов происходит по адиабатическим законам, причем на ранней стадии процесса расширение идет по политропе pvn = const, где значение п близко к 3, а затем по изэнтропе Пуассона рт^ = const, где величина к для различных ВВ меняется от 1,15 до 1,3. Сопряжение этих адиабат приводит к зависимости

где Ун и Ук — начальный и конечный объемы продуктов детонации; рн и рк — начальное и конечное давления продуктов 110

Л1'Л1'Рис. 51. Схема движения грунта в зоне пластических деформаций при взрыве полного камуфлетаРис. 51. Схема движения грунта в зоне пластических деформаций при взрыве полного камуфлета

Л1'

Л1'

Рис. 51. Схема движения грунта в зоне пластических деформаций при взрыве полного камуфлета

Рис. 51. Схема движения грунта в зоне пластических деформаций при взрыве полного камуфлета

взрыва; рс — давление, соответствующее точке сопряжения политропы с иззнтропой х.

Из соотношения (III.47) видно, что при взрыве сферического заряда давление в продуктах взрыва уменьшается с радиусом расширяющейся полости г, как

Р-Рн\ Г )’

где г0 — радиус заряда; m — переменная величина, изменяющаяся от 3 до 1,15—1,30. Приближенно можно принять среднее значение m = 2. Тогда р уменьшается пропорционально R/’. Как увидим далее, давление волны сжатия снижается с расстоянием значительно медленнее, поэтому на расстояниях, превышающих размеры каверны, движение, уплотнение и разрушение грунта определяются параметрами волны сжатия.

Рассмотрим общую картину движения грунта в зоне пластических деформаций при взрыве полного камуфлета. Сплошная кривая на рис. 51 описывает перемещение фронта волны сжатия во времени t, пунктирные кривые показывают перемещение соответствующих слоев грунта вслед за волной сжатия.

Как показали эксперименты, в области зоны пластических деформаций скорость перемещения фронта волны сжатия D и скорость смещения грунта во фронте волны Мф подчиняются законам подобия и в соответствии с ними описываются следующими формулами:

г"7Г \т\

;(ш.48)

(II 1.49)

где аи. а2, mv m2 — величины, постоянные для конкретного типа грунта, определяемые его свойствами. Для сухого песка в зоне пластических деформаций а1 = 40, а2 — 3,4, m1 = 1,

т2 = 1,8 для R = зт=г- $5 0,54-0,7 (см. рис. 50); для R, пре- вышaющиxJ указанную величину, приведенные формулы относятся к максимальному давлению волны сжатия, так как на таких расстояниях фронт волны сжатия обгоняют возмущения с малой

амплитудой.

В водонасыщенных грунтах на одинаковых R величина D намного больше, чем в певодонасыщенных. Например, при R = 1 для песка с ах = О, Dm 2000 м/с, а для неводонасыщенного грунта с w = 84-10% D «^ 150 м/с. Наличие защемленного воздуха приводит к резкому уменьшению величины D; при сц = 0,01 D = 1000 м/с при R = 1.

Скорость смещения грунта во фронте волны сжатия (а для R 5= 0,5 4-0,7 при наибольшем давлении в волне) является максимальной и за фронтом уменьшается по закону

и==и*(4?У’(IIL5°)

где и — скорость смещения грунта внутри возмущенной зоны; Rs — эйлерова координата; Ъ — показатель степени, изменяющийся для различных грунтов в пределах 1 < b < 2; для неводонасыщенных грунтов b 1,5.

Можно показать, что уплотнение грунта во фронте волны сжатия Сф выражается соотношением

8ф = Мф/£>.(III.51)

Действительно, за очень малый промежуток времени Ai фронт волны пройдет расстояние D Nf, толщина слоя грунта за это же время сократится на величину ЫфЛ i = e-^D^t. Выражение (III.51) определяет максимальное уплотнение грунта. После прохождения волны и соответственно снятия нагрузки плотность грунта несколько уменьшается. При абсолютно неупругом сжатии изменение скорости движения грунта за фронтом волны описывается формулой (III.50) при b = 2. Однако эксперименты показали, что 6 < 2, т. е. при снятии нагрузки пли некотором уменьшении ее происходит определенное расширение сжатого грунта, чем и объясняется загиб пунктирных кривых на рис. 51 к оси I. Таким образом, при взрывах в мягких слабосвязанных грунтах имеющие место разрушения сводятся к образованию каверны и уплотнению грунта в зоне пластических деформаций. При взрывах в грунтах с более жесткими связями между зернами скелета вблизи внешней границы зоны пластических деформаций как внутри, так и вне ее могут образовываться радиальные и тангенциальные трещины. Радиальные трещины возникают следующим образом. При сжатии элементарного слоя грунта возникают растягивающие усилия, обусловленные боковым давлением. Как известно, допустимые напряжения на разрыв в грунтах, как и в других твердых телах, меньше допустимых напряжений на сжатие. Если растягивающие усилия превышают временное сопротивление среды, появляются радиальные трещины. Последующая разгрузка приводит к образованию кольцевых тангенциальных трещин.

Сжимаемость скальных грунтов мала и уплотнение их, да и то в небольших пределах, возможно только в зоне, близко примыкающей к каверне, — в зоне раздавливания. Вне зоны раздавливания действие взрыва на скальный грунт сводится к образованию системы трещин по вышеописанной схеме.

Очаги взрыва вблизи свободной поверхности (граница воздух—грунт) усиливают процессы трещинообразования. После выхода волны сжатия на свободную поверхность в обратном направлении начинает двигаться волна растяжения. Если разность между растягивающим усилием в волне растяжения и сжимающим напряжением в хвосте волны сжатия превысит временное сопротивление грунта, произойдет откол части его, прилегающей к свободной поверхности. При распространении волны от свободной поверхности в глубь грунта будут образовываться все новые трещины. Роль свободных поверхностей в грунте могут играть и естественные трещины (если они имеют достаточные размеры).

По экспериментальным данным, кинетическая энергия движения грунта при взрыве составляет всего лишь несколько процентов энергии взрыва. На преодоление сил трения при пластическом течении грунта расходуется 50—70% энергии взрыва, на сжатие и разогрев грунта 20—30%; 5—20% энергии остается в газообразных продуктах взрыва.

Таким образом, основная часть энергии взрыва полного камуфлета (свыше 90%) уходит на ненужные (с точки зрения сейсморазведчика) разогрев и разрушение среды и лишь 2—7% энергии взрыва переходят в кинетическую энергию движения среды и затем в упругую волну.

Параметры волн сжатия в грунтах

Параметры волн сжатия в пористых грунтах определяются прежде всего степенью заполнения пор водой.

Известно, что в водонасыщенных грунтах содержание газообразного компонента с^ достигает 0,02—0,05, если эти грунты ежегодно осушаются хотя бы на небольшой промежуток времени (например, вследствие колебаний уровней водоемов или грунтовых вод). В неосушаемых слоях а^, как правило, не превышает 0,001 и на достаточно большой глубине практически достигает нуля.

В грунтах любого типа максимальное давление волны pY (в кгс/см2) и удельный импульс фазы сжатия I (в кгс-с/м2) определяются в соответствии с законами подобия формулами

р^к^-^-У (111.52)

1=кйУ0"(^-Уг (111.53)

Однако значения к и р., входящие в приведенные формулы, скорость распространения волн, форма кривой р^, характер затухания в сильнейшей мере зависят от соотношения жидкости и газов в порах грунта.

Как видно из табл. 11, при взрывах в грунтах с ах < 0,005 параметры волн сжатия не сильно отличаются от параметров ударных волн в воде. С увеличением а, при одинаковых R интенсивность волн сжатия заметно снижается, а степень их затухания с расстоянием резко возрастает. Изменяется также характер зависимости рт и I от массы заряда G.

Таблица 11

Значения к и ц для песков с различным содержанием газообразного компонента ах (по результатам экспериментов Г. М. Ляхова)

Тиа песка

hi

Bi

hi

Bi

Водонасыщенный: а х = 0

600

1,05

800

1,05

ах = 0,005

450

1,5

750

1,10

а х = 0,01

250

2,0

450

1,25

а х = 0,04

45

2,5

400

1,40

Неводонасыщенный (и? =

7,5

3,0

350

1,50

= 8-10%)

При этом от ах в существенной мере зависят время действия фазы сжатия £сж и время нарастания давления до максимума А<сж. При ах =5 0,01 значения 1СЖ при взрывах зарядов массой G от 5 до 100 кг при замерах на расстояниях R от 2—3 до 20—30 м не превышают 3 мс и слабо изменяются с увеличением R, а А/Сж практически равно нулю, т. е. имеют место ярко выраженные ударные волны. При а; = 0,03 -4-0,05 значения /сж для тех же величин G и R составляют 10—20 мс, а для неводонасыщенного грунта достигают 30 мс и изменяются практически пропорционально R. Для таких грунтов при массе взрываемого заряда несколько килограммов Д/сж имеет порядок миллисекунды уже на расстояниях 1—2 м от очага взрыва.

Изменение характера связи между рг, I, <сж, А/Сж и G можно считать следствием следующих причин диссипации энергии волны сжатия:

заметная часть энергии волны расходуется на разогрев пузырьков воздуха при их адиабатическом сжатии; если поры заполнены водой, потери энергии этого вида незначительны ввиду слабой сжимаемости воды;

наличие воды приводит к снижению коэффициента трения слоев грунта друг о друга при их пластическом течении;

результаты исследований, выполненных как советскими, так и зарубежными учеными, показали, что спектральные амплитуды А, [амплитуды колебаний, регистрируемых в диапазоне частот (/ — А/) ^ / ^ (/ + А/) при А/ ->- 0] по-разному зависят от массы заряда G. При прочих равных условиях

при /->0; (III.54)

Л/ = р26П2 при / -> оо. (111.55)

При этом п1 > н2, «1 близко к 1, а и2 близко к 1/3, т. е. при уменьшении / величина показателя степени п уменьшается в указанных выше пределах таким образом, что суммарная спектральная энергия волны сжатия сохраняется пропорциональной энергии взрыва.

В непосредственной близости от заряда В В ударная волна имеет малую продолжительность во времени, и основная ее энергия принадлежит передней части импульса с продолжительностью порядка десятка микросекунд. В полностью водонасыщенном грунте волна сжатия распространяется практически по тем же законам, что и при взрывах в воде (см. § 3 настоящей главы); высокие частоты в этом случае затухают слабо, а максимальное давление (амплитуда) ударной волны изменяется в зависимости от массы заряда по закону рг — Gm, где т близко к 1/3.

При наличии в грунте множества пор, заполненных воздухом или каким-нибудь газом, высокочастотные составляющие быстро затухают вследствие многократных отражений на многочисленных границах скелет грунта (или вода) — воздух и интерференционных явлений. Чем больше пузырьков воздуха в грунте, тем быстрее затухают высокочастотные гармоники, тем заметнее спектр волны сжатия по мере ее распространения смещается в об- ласть низких частот и тем больше отклонение от закона р~у G в сторону закона р — G.

Приведенные выше экспериментальные данные подтверждают высказанные соображения. При cq == 0,01 £сж невелико и слабо увеличивается с расстоянием, А#сж практически равно нулю. Это означает, что высокочастотные гармоники волны сжатия слабо затухают с расстоянием. Затухание становится заметным при а1 = 0,034-0,04 и весьма сильным в неводонасыщенных грунтах. Действительно, эксперименты, выполненные Г. М. Ляховым со взрывами в песчаных грунтах, дали, например, для зарядов массой G = 5 кг следующие результаты: при R = 18 м «1 = 0, рг ~у^G, гсж = 1,1 мс, А£сж = 0; при R = 6 м, ах = 0,01, Pi— VG, <сж = 2,6 мс, А#сж = 0,1 мс; при R = 3,2 м, oq = 0,3, Pi ~ G, гсж = 18 мс, А/Сж = 2 мс.

■'1 Таким образом, наличие в грунте пор, заполненных воздухом, приводит к резкому затуханию волны сжатия, размыву ее фронта и к заметному увеличению <сж.

Для неводонасыщенных грунтов Г. М. Ляхов для приведенного времени действия фазы сжатия волны получил следующую эмпирическую формулу:

-t_ = ^ = a-VbR.(III.56)

Более плотные грунты отличаются меньшим значением £сж, чем менее плотные грунты (табл. 12).

Таблица 12

Значения коэффициентов а и b для некоторых грунтов

Характеристика грунта

а

ъ

Песчаный (у = 1,524-1,6 г/см3, w = 8ч-10%)

Песчаный (у = 1,454- 1,5 г/см3, w = Зч-6%)

4

16

16

24

Суглинистый

10

10

Лессовидный

14

14

В неводонасыщенных грунтах максимальное давление волны сжатия рг и ее импульс I описываются формулами (III.52) и (III.53).

Из табл. 13 видно, что с увеличением значения у и w максимальное давление волны сжатия рх заметно возрастает, в то же время уменьшается время действия волны £сж. Однако это уменьшение неполностью компенсирует повышение давления, поэтому с увеличением у и w импульс I также возрастает, но не столь заметно, как давление pv

В табл. 14 приведены экспериментальные данные К. Лемпсона для некоторых неводонасыщенных грунтов с р^ и р2, равными соответственно 3,0 и 2,5.

Данные табл. 14 подтверждают высказанные ранее соображения о влиянии величин w и у на параметры волн сжатия.

Таблица 13

Значения к и ц для ряда грунтов (по данным Г. М. Ляхова)

Характеристика грунта

ki

Hi

&2

Ц2

Песчаный (у = 1,52-е 1,6 г/см3, w = 8ч-10%)

7,5

3,0

320

1,5

Песчаный (у — 1,45ч-1,5 г/см3, w = Зч-6%)

2,8

3,3

320

1,5

Песчаный (у = 1,5ч-1,55 г/см3, w = 2ч-4%)

3,5

3,3

320

1,5

Песчаный (у = 1,5ч-1,55 г/см3, w = 5ч-7%)

6,0

3,2

360

1,5

Песчаный (у = 1,54-1,55 г/см3, w = 104-12%)

8,0

3,0

400

1,5

Суглинистый (у = 1,6ч-1,65 г/см3)

8,0

3,0

400

1,а

Глинистый (у = 1,74-1,75 г/см3, w = 15%)

18,0

2,8

450

1,4

Лёссовидный (у = 1,34ч-1,38 г/см3)

4,5

2,8

500

1,65

Таблица 14

Параметры волн сжатия &i и /с2 (по К. Лемпсону)

Тип грунтакг

&2

Лёсс 3,5

Жирная глина 8,8

Пылеватая глина 27

Глина нсводонасыщенная. .66

Глина сильно увлажненная440

145

415

495

605

Формулы (III.52) и (IIL53) с коэффициентами, приведенными в табл. 11, 13, 14, справедливы для взрывов полного камуфлета, когда на поверхности грунта отсутствуют какие-либо изменения. Это соответствует глубине заложения заряда h^2V G. Формулы не дают заметных отклонений от результатов эксперимента и при h (0,5-4-0,6) t^G. Дальнейшее уменьшение глубины заложения заряда приводит к все большему ослаблению параметров волны сжатия относительно получаемых по формулам (IIL52) и (IIL53) вследствие явлений, связанных с выбросом грунта.

Взрыв на выброс

До сих пор мы рассматривали взрыв заряда, расположенного на достаточно большой глубине. Представим себе теперь, что мы начали приближать заряд к поверхности грунта.

В момент выхода фронта волны сжатия на свободную поверхность в глубь земли начинает распространяться волна разгрузки, приход которой в данную точку наблюдения приводит к падению

давления, созданного волной сжатия, и к ускорению движения частиц грунта в направлении свободной поверхности. При некотором критическом для данного грунта значении Л'/)/"G (W - величина линии наименьшего сопротивления — кратчайшее расстояние от центра заряда до границы грунт—воздух) силы сцепления между частицами грунта, а также сила тяжести будут преодолены, произойдет выброс грунта и образуется воронка. Типичный вид воронки выброса показаны рис. 52: пунктир — видимая глубина воронки выброса /гь, меньшая по сравнению с W, что связано с тем, что часть грунта падает обратно.

При расчетах обычно принимают воронку в виде конуса с вершиной в центре заряда. Форма воронки характеризуется отношением tb]W ~ п, называемым показателем действия взрыва. Воронки с п = 1 называют воронками нормального выброса, с тг > 1 или п < 1 — соответственно воронками усиленного или ослабленного выброса.

При расчетах за исходную принимается воронка нормального выброса с объемом Ун = -^-rBW^ ТУ3. Отсюда масса заряда, необходимая для получения воронки нормального выброса при заданной линии наименьшего сопротивления ГУ, составит

G = кв¥и kBW\ (IIL57)

Коэффициент кв (масса заряда, необходимая для выброса 1 м3 грунта) зависит от свойств грунта (табл. 15) и определяется экспериментально.

Таблица 15

Средние значения параметра кй

Тип грунта

кв

Песок, торф, верхний слой грунта с ра-

0,95

стительностью

Глина, суглинок, гравий

1,10

Уголь, мягкий известняк, мел . . .

1,25

Песчаник глинистый, сланцы . . .

1,40

Известняк, песчаник

1,50

Доломит, известняк крепкий, мрамор Гранит крупнозернистый, доломит

1,60

крепкий

1,70

Гнейс, весьма крепкий известняк

1,80

Гранит среднезернистый, диабаз . .

1,90

Гранит мелкозернистый, диорит, кварц

2,00

Базальт, габбро-диабаз

2,20

Массу заряда, необходимую для получения воронок усиленного или ослабленного выброса, рассчитывают по формуле

G = kBW^n).(IIL58)

Согласно формуле Борескова

/ (п) —0,4-}-0,6n3.(IIL59)

А. Ф. Беляев, введя в формулу Борескова дополнительный множитель (0,95 + 0,05ТУ), получил формулу

G-/cBW3 (0,95 +0,05И^ (0,4+0^^^(III.60)

которая в отличие от формулы Борескова пригодна и для больших значений ТУ1.

2 Формулы (III.57) и (III.58) учитывают лишь объем грунта W3, который нужно сдвинуть с места, но не работу, затрачиваемую на поднятие этого объема на высоту W.

Правую часть выражения (III.60) можно представить в виде суммы двух членов, из которых первый, содержащий И73, соответствует бесполезной для выброса работе пластической деформации, сотрясения и т. д., а второй, включающий И^4, пропорционален непосредственно работе выброса и быстро растет с увеличением W.

Видимая глубийа воронки hB (рис. 52) для усиленного выброса может быть оценена по формуле

йв = (2гв - ИЭ/З.(Ш.61)

Картина движения грунта, описанная выше для взрыва пол- еого камуфлета, существенно отличается от картины при взрыве

Рис. 53. Схема движения грунта в пределах образующейся воронкиРис. 53. Схема движения грунта в пределах образующейся воронкиРис. 54. Характер зависимости уплотнения грунта, находящегося под зарядом, от линии наименьшего сопротивления (глубины заложения заряда)Рис. 54. Характер зависимости уплотнения грунта, находящегося под зарядом, от линии наименьшего сопротивления (глубины заложения заряда)

Рис. 53. Схема движения грунта в пределах образующейся воронки

Рис. 53. Схема движения грунта в пределах образующейся воронки

Рис. 54. Характер зависимости уплотнения грунта, находящегося под зарядом, от линии наименьшего сопротивления (глубины заложения заряда)

Рис. 54. Характер зависимости уплотнения грунта, находящегося под зарядом, от линии наименьшего сопротивления (глубины заложения заряда)

на выброс. Кривая 1 на рис. 53 описывает движение фронта волны сжатия, кривые 2 — перемещения вслед за волной сжатия слоев грунта, находящихся между зарядом и свободной поверхностью. Слой грунта при взрыве на выброс сначала движется аналогично соответствующему слою при взрыве полного камуфлета (пунктирные кривые), затем вследствие влияния свободной поверхности движение грунта ускоряется. Чем ближе слой грунта к поверхности, тем сильнее это ускорение и тем быстрее оно сказывается. Существуют две причины такого ускорения. Прежде всего наличие свободной поверхности ограничивает прирост массы грунта, вовлекаемого в движение волной сжатия, что приводит к уменьшению напряжений в грунте. В результате уменьшаются потери энергии на нагрев грунта, а приток энергии от расширяющихся продуктов взрыва к движущейся массе грунта остается, по крайней мере, тем же, что и при камуфлетном взрыве. Таким образом, динамическое равновесие, имевшее место при взрыве полного камуфлета, нарушается и приток энергии начинает превышать затраты на пластическое деформирование и разогрев грунта.

Кроме того, ускоренное движение грунта в направлении свободной поверхности приводит к нарушению симметрии, в связи с чем в единицу телесного угла в направлении к свободной

поверхности продуктами взрыва будет передана большая энергия, чем в противоположном направлении.

Усиление движения грунта в направлении свободной поверхности при взрыве на выброс приводит к ослаблению энергии волны сжатия, распространяющейся в обратном направлении. На рис. 54 показан характер изменения уплотнения Ар грунта, находящегося под зарядом, в зависимости от приведенной глубины заложения W. С увеличением W увеличивается и Ар. Начиная с W = 1 дальнейший его рост уже не приводит к заметному увеличению Ар, хотя уплотнение несколько усиливается до W ^ 2, когда Ар достигает максимальной величины. Прп W ^ 0,6 “0,7 величина Ар незначительно отличается от максимальной. При уменьшении W сверх указанной величины уплотнение Ар заметно ослабевает. Аналогичный характер зависимости от ТУ, как уже отмечалось выше, имеет интенсивность волны сжатия.

Поведение волн сжатия в слоистых грунтах

На характер поля давлений, создаваемого взрывом в грунте, кроме свободной поверхности оказывают существенное влияние свойства слоев грунта, окружающих очаг взрыва, и взаимное расположение этих слоев. В зависимости от соотношения между плотностью и сжимаемостью исходного слоя грунта (в котором производится взрыв) и подстилающего волна может отражаться от границы их раздела в виде волны сжатия, либо в виде волны растяжения. Обычно подстилающие слои более плотные и менее сжимаемые, и взрывная волна, движущаяся сверху, отражается от границы раздела в виде волны сжатия. Это имеет место, например, если под неводонасыщенным грунтом (песчаным, глинистым, лёссовым и т. д.) расположен водонасыщенный или скальный грунт. От грунта с меньшей плотностью и большей сжимаемостью волна сжатия отражается в виде волны растяжения. Это часто наблюдается при сейсмических взрывах, которые производятся главным образом в скважинах с помещением заряда под зону малых скоростей (ЗМС): от подошвы ЗМС волна сжатия отражается и распространяется в глубь земли в виде волны растяжения У

При переходе волны сжатия в нижележащий слой с меньшей сжимаемостью профиль волны изменяется мало, время действия волны увеличивается незначительно. Наоборот, при переходе волны в слой с большей сжимаемостью (обычно в верхний слой) фронт ее размывается, время действия волны увеличивается. При переходе волны в грунты с большей сжимаемостью скорость

-Это явление служит причиной образования специфических сейсмических помех — волн-спутников.

фронта волны сжатия уменьшается, а при обратном переходе (в слой с меньшей сжимаемостью) — возрастает.

Из результатов опытов Г. М. Ляхова следует, что при движении волны сжатия по грунту с уменьшающимся количеством защемленного воздуха ос, давление в волне с расстоянием падает меньше, чем в исходном слое, в котором расположен очаг взрыва. Соотношение р21Р\ (Рг > Pi) тем больше, чем больше величина аРЛ’с^и чем меньше р^^ и<42)—содержание воздуха в слое, где производится взрыв, и в слое, в который переходит волна сжатия: рт — давление на одном уровне с зарядом, т. е. в исходном слое; р^ — давление под зарядом в слое грунта с меньшей сжимаемостью на том же расстоянии от заряда, что и рч).

При переходе волны сжатия в слой с высоким содержанием воздуха (с большей сжимаемостью) происходит значительное падение максимального давления. Интенсивность уменьшения давления зависит от соотношения между сжимаемостью слоев и от величины максимального давления pt в исходном слое у границы раздела. При переходе из менее сжимаемого грунта в более сжимаемый слабые волны ослабляются в большей степени, чем сильные. Это объясняется тем, что сжимаемость грунта при низких давлениях определяется сжимаемостью газообразного компонента, а при высоких давлениях — сжимаемостью воды и твердых частиц, поэтому при низких давлениях различия в сжимаемости грунтов с неодинаковым содержанием воздуха в порах большие, чем при высоких давлениях.

Таким образом, поле напряжений при взрыве в слоистом грунте несимметрично относительно плоскости, проходящей через центр заряда и параллельной границе слоев.

Слои с малой сжимаемостью (обычно нижние) играют роль волновода, по которому волна сжатия движется с наименьшими потерями энергии и, как следствие, со слабым затуханием с расстоянием. Эта волна в свою очередь может создавать слабую волну в слоях грунта с большей сжимаемостью, расположенных, как правило, выше исходного слоя.

Задачи к главе Ш

Определить параметры ударной волны наземного взрыва заряда тротила массой 1 кг на расстояние 2 м; на каких расстояниях от заряда гексогена массой 5 кг будет регистрироваться то же избыточное давление и тот же удельный импульс ударной волны.

Р е ш е н и е. Согласно формулам (III.14) — (III.16) имеем

*й06.4,3.14 о ок .

дро = —:—— J’■ J3 —3,35 кгс/см2;

2/Ю ^22/Ю2 ^23/^13

<СЖ = 1,7 7? • /2 • 10-3 ^ 2,5 . 10-3 с;

а2/з

7 = 54 —— = 27 кгс-с/м2.

Тротиловый эквивалент заряда гексогена массой 5 кг Сэкв = ^ = = 6,5 кг. В соответствии. с формулой (111.5) то же давление при взрыве такого заряда будет регистрироваться на расстоянии

Дг = Л1У^7бГ = 23/бдТ = 3,7 м.

Согласно (111.9) и (111.16)

/l = /2 = ^/3Ml = G2/3M2,

г. е. тот же удельный импульс ударной волны, -что и при взрыве заряда массой GT = 1 кг на расстоянии Нг = 2 м, будет регистрироваться при взрыве заряда гексогена массой 5 кг на расстоянии

R2 = Ri (G.2IG1)2I9 = 2 (6,5/1)2/3 =1 м.

Задачи для самостоятельного решения

Определить параметры ударной волны воздушного взрыва заряда тротила массой 2,5 кг на высоте 2 м при отражении от поверхности грунта, при нормальном падении волны на грунт (непосредственно под зарядом). Используются формулы (ШЛО) (III. 13), (III.20), (Ш.22).

Определить параметры действующей на грунт ударной волны при взрыве заряда тротила массой 5 кг на высоте 3 м в следующих точках: в точке проекции заряда на поверхность грунта (0J, на расстояниях 2, 4, 6 и 10 м от точки Ох [формулы (III.20)—(III.23)].

Определить радиус каверны (III.46) при взрыве заряда гексогена массой 4 кг в водонасыщенных и неводонасыщенных грунтах.

Определить давление и импульс волны сжатия [формулы (III.52) и (III.53)] при взрыве заряда игданпта массой 15 кг на расстоянии 10 м (в песчаных грунтах с ах = 0,005, ах = 0,04 и в неводонасыщенном грунте с и? = 8 -:- 10% — табл. 11, в суглинистом и лёссовидном — табл. 13).

Заряд аммонита (Q = 850 ккал/кг) массой 12 кг взрывают в грунте на границе двух слоев: водонасыщенный песок са, = 0,01 и глинистый грунт с и? = 15%. Определить параметры волны сжатия в обоих слоях на расстояниях 2; 5 и 10 м [формулы (III.52) и (III.53), табл. 11 и 13].

Глава IV

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕСЕЙСМИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЗРЫВА.

НАЗЕМНЫЕ «НЕВЗРЫВНЫЕ» ИСТОЧНИКИ

Несмотря на развитие «невзрывных» способов возбуждения сейсмических колебаний, взрыв заряда конденсированного ВВ остается основным источником энергии для генерирования колебаний при сейсморазведке. Если при работах на акваториях взрывы конденсированных ВВ вытесняются взрывами газовых смесей, физическими взрывами (пневматические установки) и электрическими взрывами (электроискровые источники), то при наземной сейсморазведке около 90% полевых отрядов продолжают использовать взрывы конденсированных ВВ. При этом стоимость буровзрывных работ может составлять значительную часть стоимости полевого отряда.

В зависимости от характера и условий проведения сейсморазведочных наблюдений применяются взрывы в воздухе или на поверхности грунта, в шурфах, в скважинах под зоной малых скоростей, в водоемах различного вида.

Основной задачей взрыва при сейсморазведке является передача грунту энергии, достаточной для возбуждения колебаний нужной интенсивности. Амплитуда и частотный спектр колебаний, а также характер волнового поля в сильной мере зависят от способа и условий передачи грунту энергии взрыва. Неудачный выбор условий взрыва может привести не только к росту стоимости буровзрывных работ за счет увеличения расхода ВВ и затрат на бурение, но и к существенному ухудшению качества получаемого сейсмического материала.

В последние годы разрабатываются и внедряются источники, использующие для возбуждения колебаний механические воздействия на грунт. Естественно, что и здесь параметры колебаний зависят от условий приложения нагрузки, поэтому для успешного проведения сейсмической разведки необходимо знание ряда основных параметров, определяющих характер передачи энергии взрыва или механического воздействия в грунт, а следовательно, и сейсмическую эффективность взрыва.

Воздушные взрывы

В ряде районов бурение взрывных скважин существенно затруднено или нежелательно по экономическим соображениям. В таких случаях для возбуждения упругих колебаний можно использовать воздушные взрывы. С воздушными взрывами в определенных условиях были получены сейсмические материалы высокого качества. При взрывах в воздухе регистрируется меньшее количество отражений, чем при взрывах в скважинах, что облегчает прослеживание основных (опорных) горизонтов. Для воздушных взрывов стабильность условий возбуждения намного выше, чем при взрывах в скважинах.

Однако воздушные взрывы при сейсморазведке имеют ряд недостатков. Прежде всего небходимо принимать специальные меры безопасности во избежание действия ударной волны (подробнее см. гл. VIII).

Для устранения помех от звуковой волны приходится удалять пункт взрыва от сейсмоприемников на расстояние, определяемое временами вступлений отраженных волн, что не всегда желательно. Подготовка воздушного взрыва (а обычно применяются групповые заряды) занимает достаточно много времени. И, наконец, воздушные взрывы значительно менее эффективны, чем взрывы в скважинах. Действительно, при взрывах в воздухе грунту, как уже отмечалось (§ 2, гл. III), передается незначительная часть энергии, тогда как при взрыве в скважине в грунт уходит практически вся энергия. Колебания, возбуждаемые воздушным взрывом, проходя через зону малых скоростей, сильно затухают, поэтому для получения при воздушном взрыве такого же сейсмического эффекта, как при взрыве в скважине, требуется в 15—25 раз больше взрывчатого вещества.

В связи с тем, что воздушные взрывы применяются в небольшом объеме, условия возбуждения колебаний при их использовании изучены недостаточно. Однако к настоящему, времени получен ряд экспериментальных зависимостей, связывающих некоторые условия взрыва с параметрами сейсмических колебаний. Показано, например, что плоские заряды заметно эффективнее удлиненных (торцевые поверхности заряда параллельны поверхности грунта).

Существенную роль при возбуждении колебаний играет приведенная высота подвеса заряда h = k)VG. Если заряд подвешен слишком высоко, параметры ударной волны будут слабы для того, чтобы возбудить в грунте колебания достаточной интенсивности, если, наоборот, низко, то часть энергии воздушной ударной волны будет расходоваться на разрушение грунта у поверхности. Согласно данным ряда исследователей оптимальная при-, веденная высота подвеса заряда h для различных видов верхних слоев грунта изменяется от 1,4 до 1,8. Для заряда массой 40 кг 124

(не слишком большого для воздушных взрывов) оптимальная высота подвеса h составит, таким образом, 5—7 м; подвешивать заряды на такой высоте в полевых условиях достаточно сложно. Вследствие этого при воздушных взрывах для лучшей передачи энергии грунту надо использовать групповые заряды. Групповые взрывы позволяют, кроме того, подавлять волны-помехи различного вида.

Расчеты параметров группы зарядов для подавления конкретных помех выполняются в соответствии с частотной теорией группирования.

Взрывы в грунтах

При наземной сейсморазведке основной объем наблюдений производится с использованием взрывов зарядов в грунте. Обычно заряд помещают в скважину под зону малых скоростей, несколько ниже уровня грунтовых вод для обеспечения естественной забойки заряда. Значительно реже, чем в скважинах, применяются взрывы в шурфах (неглубоких выработках различного вида), сопровождающиеся выбросом грунта. В зависимости от условий района работ и свойственного данному району характера волнового поля для взрывов в скважинах используются как одиночные, так и групповые заряды, а при взрывах в шурфах — обычно групповые заряды.

Взрывы одиночных зарядов

Задача о сейсмическом действии взрыва с теми или иными допущениями рассматривалась многими учеными. Впервые (в 1942 г.) эта задача была решена Д. Шарпом, работа которого, несмотря на определенную ограниченность, до сих пор сохраняет свое значение, на ней основаны некоторые решения вопросов возбуждения колебаний при взрывах в грунтах ряда других исследователей.

Д. Шарп рассматривал однородную идеально-упругую среду, в которой находится сферическая полость радиуса г, причем г соответствует такому расстоянию от заряда, при котором давление, действующее на стенки полости, не превышает предел упругости среды.

Импульс давления, действующий на стенки полости, был принят ступенчатым, т. е.

p(t) = О U < 0); )

'7(IV.1)

PtWi (<^0). /

Исходя из условия (IV.1), Д. Шарп, рассматривая задачу со сферической симметрией, получил решение для смещения среды U^ в виде затухающей синусоиды

U ^ = ^ р^Г ^ ехр (— ют/]/2 ) sin ют(т^О)(IV.2)

при расстоянии от центра полости до точки наблюдения R >>г; здесь X и р — константы Ламэ (принято X — р); т — (Д — т^ир^ где Рр — скорость распространения волн; (о = 2 j/2z;P/3r—видимая частота затухающей синусоиды Шарпа.

Согласно закону подобия радиус полости г пропорционален корню кубическому из массы заряда G; г = ^ПУ^ (^п — коэффициент пропорциональности). Зная G, кп, X = р, рг и Рр, можно из (IV.2) вычислить смещения в упругой волне для любых значений R >>г.

И. И. Гурвич при исследовании сферического излучателя продольных волн также вводит эквивалентную полость с радиусом г = *п VG.

Основными параметрами излучателя приняты частота собственных колебаний очага взрыва

^ = ^fcG'b = 8G h (IV"3) и относительный коэффициент затухания колебаний очага

m = vg!vps (IV.4)

где vs — скорость распространения поперечных волн.

Согласно результатам экспериментальных работ величина кп изменяется от 1 до 2,6 м/кгс1^, g — от 35 до 60, причем для водонасыщенных грунтов g = 35 4- 42, для сухих — 50 и более.

Характер возбуждаемых колебаний в большой мере зависит от вида p^V) на границе эквивалентной полости. Если давление в очаге падает медленно по сравнению с периодом собственных колебаний очага, определяемым в соответствии с формулой (IV.3), и р^ можно считать (аналогично Д. Шарпу) ступенькой, то для амплитуды гармоники Аь соответствующей частоте fb согласно И. И. Гурвичу справедлива следующая зависимость от массы заряда G:

G

где аг — постоянная величина, a G} связано с ft соотношением (VI.3).

Если давление, действующее на границу эквивалентной полости, падает весьма быстро по сравнению с периодом колебаний очага и импульс давления можно описать дельта-функцией, то зависимость амплитуды гармоники А\ от массы заряда G будет иной:

A'i(G) = a2y^- A^Gy(IV.6)

где A^G) определяется из (IV.5). 126

■>^j

Различного рода теоретические решения качественно достаточно верно отражают характер процесса: возрастание амплитуды и периода волны с массой заряда; смещение спектра волны в область низких частот при уменьшении ир в окружающей заряд среде; неодинаковая для разных частот зависимость спектральных амплитуд А^ от массы заряда и т. д. Однако при сопоставлении результатов эксперимента с теоретическими данными, как правило, наблюдается заметное количественное расхождение. Это вполне естественно, так как прежде всего грунт не является идеально-упругой средой, а импульс, действующий на поверхность «полости», по форме сильно отличается как от ступеньки, . так и от дельта-функции, причем форма импульса зависит от массы заряда и свойств окружающего заряд грунта. Наконец, в рассмотренных решениях исключены все неупругие процессы, а именно в зоне пластических деформаций и происходит формирование волны сжатия. В связи с этим без применения условий, характеризующих нелинейные процессы в ближней зоне взрыва, теория не сможет удовлетворительно объяснить результаты эксперимента.

Далее будут широко использованы экспериментальные данные ряда исследователей.

Влияние свойств взрывчатого вещества на параметрыупругой волны

Основными характеристиками заряда ВВ, которые могут влиять на эффект взрыва и, следовательно, на параметры возбуждаемой упругой волны, являются: скорость детонации D, начальная плотность р0, бризантность, удельная теплота взрыва q, работоспособность и, наконец, выделившаяся при взрыве энергия Е.

Между перечисленными характеристиками имеется ряд функциональных зависимостей. Действительно, скорость детонации D й удельная теплота взрыва для ВВ одного типа однозначно связаны с начальной плотностью заряда. При взрыве заряда массой G выделяется энергия Е = Gq. Работоспособность для ВВ со сходным составом продуктов взрыва можно приближенно считать пропорциональной величине q. Бризантность характеризует действие взрыва на контактирующую с зарядом преграду, связанное не с полным импульсом взрыва, а лишь с его головной частью и определяемое начальными давлением и скоростью продуктов детонации. Следовательно, бризантность является однозначной функцией р0 и D (см. гл. I). Изложенное выше позволяет считать, что свойства ВВ достаточно полно определяются Удельной теплотой взрыва q и скоростью детонации D.

Результаты экспериментов, выполненных различными исследователями, показали, что амплитуда и частотный спектр возбуждаемых упругих колебаний для ряда ВВ определяются

выделившейся при взрыве энергией Е, т. е. массой заряда и удельном теплотой взрыва q, и практически не зависят от скорости детонации D в пределах изменения последней от 3500—4000 до 8000 м/с, т. е в диапазоне, характерном для ВВ, выпускаемых промышленностью. Этот факт имеет существенное практическое значение, так как стимулирт ет широкое применение в сейсморазведке гораздо более дешевых, чем прессованный или литой тротил, взрывчатых веществ с небольшими скоростями детонации, в основном смесевых, обладающих в то же время достаточно высокой удельной теплотой взрыва. Предпочтение следует отдавать тем ВВ, которые характеризуются при прочих близких условиях (удобство и степень опасности при использовании, водоустойчивость, критический диаметр и т. д.) наибольшим отношением удельной теплоты взрыва (работоспособности или фугасности) к стоимости 1 кг ВВ.

При взрывах в шурфах и сухих скважинах (шнековое бурение при глубине скважины меньше глубины залегания водоносных горизонтов) нужно шире использовать дешевые неводоустойчивые ВВ типа аммонита № 6, игданита и других гранулитов с малым содержанием тротила. Если забой скважины (шурфа) достигает уровня грунтовых вод, то нижпяя часть заряда, омываемая водой, доляша состоять из водоустойчивого ВВ — аммонит № 6 ЖВ и другие водоустойчивые аммониты, пироксилиновые пороха, гранулированный или чешуировэнный тротил, зерногранулиты с высоким содержанием тротила. Эти же ВВ можно рекомендовать для более широкого применения в обводненных скважинах.

Влияние формы заряда на распределение энергии взрываи характер возбуждаемого волнового поля

Форма заряда в значительной мере определяет поле ударной волны в среде, что особенно заметно вблизи очага взрыва.

Импульс продуктов взрыва 1а, действующих на преграду, находящуюся вблизи заряда, связан с формой заряда следующим соотношением

1а = 1й^, (IV.7)

где 70 — полный импульс взрыва; Sa — площадь поверхности заряда, контактирующей с преградой (параллельной преграде); S — суммарная площадь поверхности заряда.

Представим себе цилиндрический заряд с радиусом г0 и высотой й0, основание которого параллельно преграде, находящейся на небольшом расстоянии от заряда. На рис. 55 приведены вычисленные в соответствии с формулой (IV. 7) значения импульса 7П передаваемого преграде (сплошная линия), и импульса /2, рассеиваемого в направлениях, перпендикулярных 128

1

направленность взрыва.Как показали опыты, вблизи очага взрыва скорость смещенаправленность взрыва.Как показали опыты, вблизи очага взрыва скорость смещецентральной оси заряда (пунктир), в процентах от суммарного импульса взрыва в зависимости от г0/й0 при G = const. С ростом rjh^ увеличивается 1Х и уменьшается /2, т. е. улучшается

направленность взрыва.

Как показали опыты, вблизи очага взрыва скорость смеще

направленность взрыва.

Как показали опыты, вблизи очага взрыва скорость смеще

ния грунта в заданном направлении пропорциональна импульсу взрыва, действующему в этом же направлении.

Распределение энергии взрыва в пространстве оказывает существенное влияние на характер возбуждаемого волнового поля.

Действительно, при взрыве заряда в грунте далеко не вся энергия волны сжатия расходуется на образование полезного сигнала. С волнами, отраженными от

Рис. 55. Распределение импульса взрыва в зависимости от формы зарядаРис. 55. Распределение импульса взрыва в зависимости от формы зарядаглубинных горизонтов, связана энергия волны сжатия, распространяющейся в глубь грунта в пределах сравнительно небольшого телесного угла. Энергия волны сжатия, распространяющейся вне этого угла, является причиной появления всевозможных волн- помех (поверхностные, преломленные неглубокими горизонтами, поперечные и т. д.). Опыт сейсморазведки показал, что чем большая часть энергии взрывного импульса направлена вертикально вниз, тем больше амплитуда полез-

Рис. 55. Распределение импульса взрыва в зависимости от формы заряда

Рис. 55. Распределение импульса взрыва в зависимости от формы заряда

ного сигнала (отраженных волн) и

отношение сигнал/помеха. Увеличение горизонтально направлен

ной энергии взрыва уменьшает величину зтого отношения в связи

с повышением интенсивности волн-помех, поэтому при взрывах в скважинах не рекомендуется применять заряды, у которых длина более чем в 12—15 раз превышает диаметр. При увеличении массы заряда без изменения его формы амплитуда отраженных волн растет быстрее, чем при увеличении массы заряда за счет его удлинения. Кроме того, при удлинении заряда возрастает интенсивность волн-помех.

Поскольку размеры заряда ограничены размерами скважины, для того чтобы избежать чрезмерного его удлинения (если требуется заряд большой массы), следует применить групповой взрыв из нескольких скважин. Для размещения заряда большой Массы в плотных и пластичных породах целесообразно производить предварительный взрыв небольшого заряда для образования каверны, в которую затем помещают основной заряд. Массу заряда предварительного взрыва можно оценить по формуле (111.46). При этом нужно учитывать, что если насыпные ВВ будут плотно заполнять каверну, то между шашками прес сованного или литого ВВ обязательно будут промежутки.

Удлиненные заряды со скоростью детонации D, равной или близкой к скорости распространения продольной волны гР в окружающей среде, или со скоростью передачи детонации от одного элемента заряда к другому, близкой к гР, с успехом применяются для подавления волн-спутников (волны, которые, отразившись от дневной поверхности или подошвы зоны малых скоростей, распространяются вниз вслед за основным сигналом, отставая от него на несколько десятков миллисекунд).

Влияние массы заряда и глубины его заложения на параметрывозбуждаемых колебаний

По мнению большинства исследователей, амплитуда упругой волны А изменяется с изменением массы заряда по закону

(IV.8)(IV.8)А=№!\

(IV.8)

(IV.8)

где к — коэффициент, определяемый условиями возбуждения и регистрации; Z, по данным различных экспериментов, изменяется в основном от 1 до 3. Известны случаи, когда величина I сама являлась функцией массы заряда G, возрастая по мере его

увеличения, а также отдельные случаи, когда I была больше 3 или меньше 1.

При увеличении массы заряда G спектр возбуждаемых колебаний смещается в область более низких частот (рис. 56), при этом уменьшается ширина спектра.

По данным А. М. Иванчука, частота fm, соответствующая максимуму спектра, подчиняется закону

Рис. 56. Характер изменения нормали-^ — ^G1/1',(IV.9)

зованного частотного спектра сейсми

ческой волны с массой заряда где величина lv для разлйч- Gi > е2 > езных грунтов изменяется в

пределах 3 ^ ZT ^ 6.

В ряде случаев при регистрации стандартной сейсморазведочной аппаратурой колебаний с большими путями пробега (порядка нескольких километров) бывает трудно уловить разницу в спектрах волн при изменении массы заряда; это может быть обусловлено фильтрующей способностью как среды, так и ре

гистрирующей аппаратуры.

Попытаемся теперь понять, с чем связано изменение величины Z и ZT в столь больших пределах: 1^Z^3h3^Z1^6. Выше (гл. III, § 4) отмечалось, что давление волны сжатия в ближней зоне в зависимости от водонасыщенности грунта по-разному

растет с массой заряда. Для грунта, не содержащего воздуха в порах, А/> — G'b; по мере увеличения количества воздуха А/> возрастает с массой заряда все быстрее и в пределе для неводонасыщенных грунтов А/> — G. Это обусловлено сильным затуханием высокочастотных гармоник волны сжатия при взаимодействии с пузырьками воздуха, находящимися в порах грунта.

Таким образом,

^p=kaG^^^(IV.10)

где Z2 = 3 для водонасыщенных грунтов без защемленного воздуха и Z2 = 1 для неводонасыщенных грунтов.

Сравнивая формулы (IV.8) и (IV.10) и учитывая, что скорость смещения среды и в волне сжатия связана с избыточным давлением ^р соотношением w = Ар/р^О (D — скорость волны сжатия, ДЛЯ упругих ВОЛН D = 1>р), приходим к выводу, что в (IV.8) Z « 3 в водонасыщенных грунтах и уменьшается с содержанием воздуха в порах до Z = 1 (неводонасыщенные грунты). При зтом коэффициент &2, а следовательно, и к резко падают (см. гл. III, § 4), т. е. ослабляется сейсмическое действие взрыва. Таким образом, случай Z = 1, наиболее выгодный с точки зрения роста амплитуды с массой заряда, невыгоден экономически. При оптимальных условиях взрывания I > 1, т. е. амплитуда колебаний возрастает медленнее, чем масса заряда.

Для неводонасыщенных грунтов наблюдается заметно большая зависимость времени действия фазы сжатия взрывных волн от массы заряда, чем для грунтов водонасыщенных. Время действия фазы сжатия возрастает с уменьшением плотности грунта, что также связано с затуханием высокочастотных гармоник вследствие их взаимодействия с пузырьками воздуха. Поскольку tm AJT, где Т — период волны, можно полагать, что наибольшее значение ZT = 6 относится к водонасыщенным грунтам и к уменьшается с увеличением количества газового компонента в порах грунта.

Самые низкочастотные колебания возбуждаются при взрывах в рыхлых сухих породах; коэффициент полезного действия взрыва в таких породах весьма низок, так как волна сжатия в них быстро затухает с расстоянием (см. гл. IV, § 3). При взрывах в породах скального типа, а также во льду возбуждаются колебания, основная энергия К которых принадлежит высокочастотным составляющим, быстро затухающим по мере распространения в толще земной коры. Волны с параметрами, близкими к оптимальным, имеют место при взрывах в увлажненных пластичных породах (водонасыщенные пески и глины).

При взрывах зарядов вблизи свободной поверхности, когда образуется воронка (взрывы в шурфах), на характер нарастания мплитуды колебаний оказывает влияние приведенная глубина 9*

заложения заряда h — h,[VG. Для учета этого влияния в формулу (IV.8) вводится дополнительный множитель 1//(п):

A^-r^kG^1.(iv.ll)

Экспериментально установлено, что при прочих равных условиях f(n) ^у/'п при п > 1 и / (тг) = 1, когда п 1, т. е, в случае нормального, а тем более ослабленного выброса, потери,

связанные с преждевременным прорывом продуктов взрыва в воздух, достаточно малы и ими можно пренебречь. На рис. 57 приведена кривая зависимости амплитуды отраженной волны А

Рис. 57. Характер зависимости амплитуды возбуждаемых колебаний от глубины заложения заряда (при условии, что свойства грунта не изменяются с глубиной)Рис. 57. Характер зависимости амплитуды возбуждаемых колебаний от глубины заложения заряда (при условии, что свойства грунта не изменяются с глубиной)от приведенной глубины заложения заряда А, типичной для случая, когда свойства грунта не изменяются с глубиной. Начиная с h — 1, что для пористых грунтов приближенно соответствует нормальному выбросу, амплитуда волны весьма слабо растет с увеличением h. При уменьшении h от 1 до 0,6 ослабление интенсивности невелико, при дальнейшем уменьшении h амплитуда колебаний падает довольно резко. Таким образом, и здесь мы видим аналогию с поведением избы

Рис. 57. Характер зависимости амплитуды возбуждаемых колебаний от глубины заложения заряда (при условии, что свойства грунта не изменяются с глубиной)

Рис. 57. Характер зависимости амплитуды возбуждаемых колебаний от глубины заложения заряда (при условии, что свойства грунта не изменяются с глубиной)

точного давления в волне сжатия в ближней зоне (см. гл. Ш, § 4).

Как было отмечено, кривая на рис. 57 типична для случая, когда свойства грунта не изменяются с глубиной. Однако обычно при увеличении глубины повышаются плотность и водонасыщен-

ность грунта; тогда амплитуда отраженных волн возрастает и при Л > 1 тем существеннее, чем больше градиент изменения плотности и водонаеыщенности с глубиной.

Если начиная с Л = 0,6, повышение глубины заложения за

ряда не всегда заметно сказывается на увеличении интенсивности отражений, то отношение сигнал/помеха продолжает возрастать. Дело в том, что увеличение глубины заложения заряда приводит к ослаблению интенсивности поверхностных волн. Заглубление заряда на расстояние, соизмеримое с длиной поверхностной волны, приводит к существенному подавлению последней. Необходимо учитывать также, что при взрывах полного камуфлета отсутствуют звуковыё волны, которые имеют высокую интенсивность в случае взрывов, сопровождающихся выбросом грунта. При взрывах в скважинах большое значение имеет водяная укупорка заряда. Если столб воды над зарядом мал или отсутствует вовсе, величина отношения сигнал/помеха заметно уменьшается

в связи с понижением интенсивности полезных волн и повышением интенсивности волн-помех (поверхностных и звуковых).

Рассмотрим случай, когда величина I в формуле (IV.8) сама является функцией массы заряда G. Поскольку такой случай противоречит закону подобия, причиной его могут быть изменения условий проведения опыта.

Приведем несколько примеров изменений такого рода.

При взрывах в скважинах увеличение массы заряда происходит, как правило, за счет его удлинения, вследствие чего уменьшается доля энергии, расходуемая на образование полезных волн.

При взрывах в шурфах постоянной глубины с увеличением массы заряда растут потери энергии, связанные с прорывом продуктов взрыва в воздух до того, как они произведут полную работу сжатия грунта.

По мере увеличения массы заряда амплитуда регистрируемых колебаний нарастает все медленнее и медленнее вследствие смещения сигнала в область более низких частот, поскольку, как отмечалось выше, высокочастотные и низкочастотные гармоники колебаний по-разному зависят от массы заряда. Это возможно и в случае, если среда и регистрирующая аппаратура образуют фильтр, в котором высокие частоты затухают сильнее низких.

На основании изложенного можно сделать заключение, что для резкого повышения интенсивности сейсмического сигнала простое увеличение массы заряда очень часто может быть невыгодно как с экономической, так и с технической точки зрения. Во-первых, амплитуда сигнала возрастает медленнее, чем масса заряда, даже в тех случаях, когда форма зарядов сохраняется постоянной. Во-вторых, увеличение массы заряда при взрывах в^скважинах происходит обычно за счет его удлинения, а при взрывах в шурфах постоянной глубины уменьшается промежуток времени от момента детонации до выброса продуктов взрыва в воздух; и то и другое приводит к нерациональному расходованию энергии взрыва. И, наконец, в-третьих, весьма часто амплитуда волн-помех растет с увеличением массы заряда быстрее, чем амплитуда полезного сигнала.

Таким образом, повысить коэффициент полезного действия взрыва можно путем группирования зарядов.

Групповые взрывы

Групповым взрывом называется одновременный (или с небольшим временем задержки) взрыв нескольких зарядов, расположенных в различных точках.

Аналогично группированию сейсмоприемников группирование взрывов позволяет достичь следующих эффектов:

статистический эффект, повышающий отношение амплитуды сигнала к амплитуде случайных помех, возбужденных взрывом;

эффект осреднения условий взрыва, позволяющий снизить влияние местных (в окрестности очага взрыва) условий на интенсивность и форму возбуждаемых колебаний;

эффект направленности, который дает возможность выделить полезный сигнал на фоне волн-помех.

Указанные особенности группового взрыва подробно рассматривают в учебниках и учебных пособиях по сейсмической разведке. Мы остановимся еще на одном эффекте группирования зарядов — усилении сейсмического действия взрыва и на некоторых параметрах группового заряда, определяющих сейсмическую эффективность взрыва.

Влияние расстояний между зарядамив группе на интенсивность возбуждаемыхколебаний

W///////7777, //////////////////лW///////7777, //////////////////лРасстояние между зарядами в группе в значительной мере определяет величину энергии взрыва, расходуемую как на разрушение грунта, так и на возбуждение колебаний.

W///////7777, //////////////////л

W///////7777, //////////////////л

Рис. 58. Расположения зарядов при групповых взрывах.Рис. 58. Расположения зарядов при групповых взрывах.В самом деле, рассмотрим групповой взрыв с такими расстояниями между зарядами, когда зоны пластических деформаций, образованные взрывами единичных зарядов группы, перекрываются (рис. 58, а).

Рис. 58. Расположения зарядов при групповых взрывах.

Рис. 58. Расположения зарядов при групповых взрывах.

1 — заряд ВВ; 2 — эона пластическихдеформаций; з — зона нелинейного взаи-модействия волн сжатия1 — заряд ВВ; 2 — эона пластическихдеформаций; з — зона нелинейного взаи-модействия волн сжатияВследствие взаимодействия волн сжатия давление в области перекрытия зон 3 повышается, что приводит к дополнительным разрушениям грунта. Чем ближе заряды друг к другу, тем больше область 3,

1 — заряд ВВ; 2 — эона пластическихдеформаций; з — зона нелинейного взаи-модействия волн сжатия

1 — заряд ВВ; 2 — эона пластическихдеформаций; з — зона нелинейного взаи-модействия волн сжатия

тем выше имеющие там место давления, тем интенсивнее разрушения в этой области и соответственно тем больше непроизводительный расход энергии на эти дополнительные разрушения, связанные с взаимодействием волн сжатия. Если расстояния между зарядами выбраны так, что зоны пластических деформаций не перекрываются (рис. 58, б), то при взаимодействии волн сжатия заметных разрушений грунта не происходит.

В связи с этим при групповых взрывах в скважинах и шурфах расстояния между зарядами должны быть выбраны таким образом, чтобы исключались возможность разрушающего взаимодействия зарядов и связанные с ним дополнительные потери энергии

взрыва. Можно считать, что эти потери становятся минимальными, начиная с расстояния между зарядами в группе Lo, равного двум радиусам зоны пластических деформаций, образованной взрывом единичного заряда группы (при условии равенства масс единичных зарядов группы).

Определим размеры радиуса зоны пластических деформаций . гпл. Из законов подобия следует, что радиус любой зоны действия взрыва, в том числе и гпл, пропорционален корню кубическому из массы заряда:

rM = knn^G.(IV.12)

По данным И. И. Гурвича, для различных условий проведения работ значение кпл изменяется от 1,0 до 2,6. Столь большой диапазон колебания и сложность предложенной И. И. Гурвичем оценки кпл не позволяют широко пользоваться этим методом на практике, поэтому для определения кпл воспользуемся данными табл. 15, осредненными по огромному объему как специальных экспериментальных, так и производственных работ.

Рассмотрим взрыв вблизи свободной поверхности. В этом случае, если масса заряда достаточна, произойдет выброс грунта и образуется воронка. Экспериментальными работами А. Н. Ромашова и В. Н. Родионова показано, что деформация поверхности грунта в пределах образующейся воронки носит неупругий характер, а начальная скорость смещения поверхности совпадает с максимальной скоростью движения соответствующего слоя грунта при взрыве полного камуфлета. В связи с этим можно считать, что радиус зоны пластических деформаций гпл равен расстоянию RB от центра заряда до края воронки (см. рис. 52). Этот же вывод подтверждают экспериментальные данные Г. И. Покровского и И. С. Федорова.

Таким образом (см. рис. 52)

rnn = RB = VwHrL

Приняв во внимание формулу (IV. 12), получим

knJ1 = V"wH^(IV.13)

Подставив в выражение (IV.13) G из формул Борескова (II 1.58), (II 1.59), получим

кпл = /1 + га2 / /0,4/св(1+1,5га3) .(IV.14)

Значения коэффициента кв для различных пород приведены в табл. 15. Следует учесть, что сейсмические взрывы в подавляющем числе случаев проводятся в мягких породах с кв от 0,95 До 1,25, поэтому с достаточной степенью точности можно принять

С учетом этого из (IV.12) и (IV. 13) следует, что для группы зарядов в мелких скважинах или шурфах (при взрыве имеет

место выброс грунта)

Go — 2 R плGo — 2 R пл(IV. 16)..(IV. 16)..2^/0 /1 + п2Уо,4(1 + 1,5п») ’

Go — 2 R пл

Go — 2 R пл

(IV. 16)..

(IV. 16)..

где показатель выброса п с учетом (IV.15) определяется согласно (III.57), (III.58) как

n = Kl,67G/JV3-0,67 .(IV.17)

Для оценки радиуса зоны пластических деформаций при взрыве полного камуфлета построим зависимость &пл от показателяДля оценки радиуса зоны пластических деформаций при взрыве полного камуфлета построим зависимость &пл от показателявыброса п. На рис. 59 приведены кривые ^пл = /(п), вычисленные с помощью формул Борескова (III.58), (III.59), а также по принятым за рубежом формулам ЛебренаС = /свЖ3(0,09+0,91п3) для п^1,выброса п. На рис. 59 приведены кривые ^пл = /(п), вычисленные с помощью формул Борескова (III.58), (III.59), а также по принятым за рубежом формулам ЛебренаС = /свЖ3(0,09+0,91п3) для п^1,G =/сДБ3 (-^^У для п^1G =/сДБ3 (-^^У для п^1Рис. 59. Зависимость коэффициента кпп от показателя выброса п по формулам Борескова (/), Лебрена (2) и Дам- брена (5)Экстраполируя кривые рис. 59,получим для п = 0 (что соответствует взрыву полного камуфлета) среднее значение кпл, равное 1,5.Таким образом, при камуфлетном взрыве заряда массой G (в кг) радиус зоны пластических деформаций (в м)Рис. 59. Зависимость коэффициента кпп от показателя выброса п по формулам Борескова (/), Лебрена (2) и Дам- брена (5)Экстраполируя кривые рис. 59,получим для п = 0 (что соответствует взрыву полного камуфлета) среднее значение кпл, равное 1,5.Таким образом, при камуфлетном взрыве заряда массой G (в кг) радиус зоны пластических деформаций (в м)ДамбренаG = *ВЖ3 (VTv^- 0,41)3ДамбренаG = *ВЖ3 (VTv^- 0,41)3йпл =йпл =1,51,5Kg",Kg",(IV.18)(IV.18)

Для оценки радиуса зоны пластических деформаций при взрыве полного камуфлета построим зависимость &пл от показателя

Для оценки радиуса зоны пластических деформаций при взрыве полного камуфлета построим зависимость &пл от показателя

выброса п. На рис. 59 приведены кривые ^пл = /(п), вычисленные с помощью формул Борескова (III.58), (III.59), а также по принятым за рубежом формулам Лебрена

С = /свЖ3(0,09+0,91п3) для п^1,

выброса п. На рис. 59 приведены кривые ^пл = /(п), вычисленные с помощью формул Борескова (III.58), (III.59), а также по принятым за рубежом формулам Лебрена

С = /свЖ3(0,09+0,91п3) для п^1,

G =/сДБ3 (-^^У для п^1

G =/сДБ3 (-^^У для п^1

Рис. 59. Зависимость коэффициента кпп от показателя выброса п по формулам Борескова (/), Лебрена (2) и Дам- брена (5)Экстраполируя кривые рис. 59,

получим для п = 0 (что соответствует взрыву полного камуфлета) среднее значение кпл, равное 1,5.

Таким образом, при камуфлетном взрыве заряда массой G (в кг) радиус зоны пластических деформаций (в м)

Рис. 59. Зависимость коэффициента кпп от показателя выброса п по формулам Борескова (/), Лебрена (2) и Дам- брена (5)Экстраполируя кривые рис. 59,

получим для п = 0 (что соответствует взрыву полного камуфлета) среднее значение кпл, равное 1,5.

Таким образом, при камуфлетном взрыве заряда массой G (в кг) радиус зоны пластических деформаций (в м)

Дамбрена

G = *ВЖ3 (VTv^- 0,41)3

Дамбрена

G = *ВЖ3 (VTv^- 0,41)3

йпл =

йпл =

1,5

1,5

Kg",

Kg",

(IV.18)

(IV.18)

а оптимальное (с точки зрения отдачи энергии на возбуждение колебаний) расстояние между зарядами в группе

Z0 = 3FG~.(IV.19)

Оптимальные расстояния между зарядами различной массы №г и G2) в группе могут быть определены по следующим формулам: в скважинах (взрыв полного камуфлета)

l0=i,5(Kg1+Kg2);(IV.20)

в шурфах или мелких скважинах (при взрыве происходит выброс грунта)

у/ 0,4(1 + 1,5?г3)j/0,4 (1 + 1,5?г3)

где Mj и п2 вычисляются по формуле (IV.17).

Формулы для определения оптимального расстояния между зарядами Lo осреднены в соответствии с данными табл. 15. Однако их точность вполне достаточна для использования при сейсморазведочных работах. Полученные в ряде районов Советского Союза при различных условиях взрыва и регистрации кривые зависимости амплитуды полезного сигнала А от расстояния между зарядами L имеют один и тот же вид (рис. 60): нарастание А с увеличением L, обусловленное уменьшением

потерь энергии на разрушение грунта, максимум А на расстояниях, не более чем на 10—15% отличающихся от рассчитанных по формуле (IV.16) или (IV.19), и затем уменьшение амплитуды сигнала. Наличие спада кривых А — f(L) для L > Lo несколько неожиданно: в условиях проведения опытов интерференционный эффект группирования был незначителен даже при наибольших из применявшихся расстояний между зарядами.

Экспериментально установлено (см. рис. 60), что чем больше чисуо зарядов m в группе, тем больше отношение Al=o]Al-l„

Рис. 60. Типичные кривые зависимости амплитуды сейсмического сигнала от расстояния между зарядами в группах из тг (1), т2 (2) и т3 (5) зарядов, mj <5. пг^ << т-зРис. 60. Типичные кривые зависимости амплитуды сейсмического сигнала от расстояния между зарядами в группах из тг (1), т2 (2) и т3 (5) зарядов, mj <5. пг^ << т-зт. е. тем сильнее возра

Рис. 60. Типичные кривые зависимости амплитуды сейсмического сигнала от расстояния между зарядами в группах из тг (1), т2 (2) и т3 (5) зарядов, mj <5. пг^ << т-з

Рис. 60. Типичные кривые зависимости амплитуды сейсмического сигнала от расстояния между зарядами в группах из тг (1), т2 (2) и т3 (5) зарядов, mj <5. пг^ << т-з

стает сейсмический эффект взрыва за счет правильного выбора расстояний между зарядами.

Справедливость формул для расчета расстояний между зарядами подтверждается данными изучения влияния расстояний между зарядами в группе на спектр регистрируемой волны. Производились взрывы групп из четырех зарядов; масса единичного заряда изменялась от 0,4 до 1,6 кг. Изучался спектр прямой волны, распространявшийся в глубь земли по направлению, близкому к вертикальному. Для того, чтобы свести к минимуму действие грунта как фильтра, наблюдения проводились на расстоянии от 30 до 100 м от центра группы. На рис. 61 приведена характерная зависимость спектра колебаний от расстоя

ния между зарядами в группе.

С увеличением L спектр несколько смещается в область более высоких частот. После достижения оптимального расстояния между зарядами в группе Lo дальнейшее увеличение L в условиях

опытов уже не вызывает изменений спектра. Это объясняется, очевидно, следующим. При изменении расстояний между зарядами в группе от 0 до Lo происходит нелинейное взаимодействие волн сжатия, возбужденных взрывами единичных зарядов, поэтому действие взрыва такой группы на окружающий грунт является промежуточным между действиями одиночного заряда с массой, равной сумме масс единичных зарядов в группе, и группы за-

Рис. 61. Изменение частотного спектра возбуждаемой волны при увеличении расстояний между зарядами в группе.1 — L = 0; 2 — 0 < L < Щ;3 — L 5s LoРис. 61. Изменение частотного спектра возбуждаемой волны при увеличении расстояний между зарядами в группе.1 — L = 0; 2 — 0 < L < Щ;3 — L 5s Loдопускаются отклонениядопускаются отклонениярядов с таким расстоянием между ними, что нелинейное взаимодействие волн сжатия исключено. В связи с этим после достижения Lo дальнейшее увеличение L не вызывает изменения спектра упругой волны.

Рис. 61. Изменение частотного спектра возбуждаемой волны при увеличении расстояний между зарядами в группе.

1 — L = 0; 2 — 0 < L < Щ;

3 — L 5s Lo

Рис. 61. Изменение частотного спектра возбуждаемой волны при увеличении расстояний между зарядами в группе.

1 — L = 0; 2 — 0 < L < Щ;

3 — L 5s Lo

допускаются отклонения

допускаются отклонения

Таким образом, при прочих равных условиях сейсмический сигнал определенной интенсивности может быть получен при наименьших расходах ВВ в результате взрыва группы зарядов с расстояниями между ними, рассчитанными в зависимости от условий взрывания по формулам (IV.16) или (IV.19).

В связи с этим при полевых работах от Ьй в указанных пределах. В табл. 16 приведены значения расстояний Lo между зарядами в группе, пригодные для массы единичного заряда, изменяющейся в некоторых пределах, и, наоборот, пределы изменения расстояний LВ связи с этим при полевых работах от Ьй в указанных пределах. В табл. 16 приведены значения расстояний Lo между зарядами в группе, пригодные для массы единичного заряда, изменяющейся в некоторых пределах, и, наоборот, пределы изменения расстояний LНадо учитывать, что максимумы кривых А = f (L) не имеют острой формы, поэтому отклонения от оптимальных расстояний на + 20% не приводят к существенному уменьшению амплитуды сейсмического сигнала.

В связи с этим при полевых работах от Ьй в указанных пределах. В табл. 16 приведены значения расстояний Lo между зарядами в группе, пригодные для массы единичного заряда, изменяющейся в некоторых пределах, и, наоборот, пределы изменения расстояний L

В связи с этим при полевых работах от Ьй в указанных пределах. В табл. 16 приведены значения расстояний Lo между зарядами в группе, пригодные для массы единичного заряда, изменяющейся в некоторых пределах, и, наоборот, пределы изменения расстояний L

Таблица 16

Массы зарядов и расстояния между ними для предварительного выбора условий взрыва

G, кг

Lo, м

G, кг

Lo, м

10-30

7,5

10

10

5,5—8

30—60

20

6,'5—9,5

60—100

13

30

7,5—11

100—150

15

40

8,5—12

150—250

17

60

10—14,5

—

—

80

11-15,5

—

—

120

12-17

—

150

13—19

200

14,5-20,5

между зарядами, в которых для заданного G амплитуда сигнала существенно не меняется.

Данные табл. 16 можно использовать для предварительного бурения скважин на пикетах взрыва, когда требуемые величины зарядов известны лишь приблизительно.

Следует отметить^ что экономия ВВ за счет правильного выбора расстояний между зарядами бывает существенной в том случае, когда используются заряды большой массы. Взрывы больших зарядов обычно производятся при сейсмических наблюдениях КМПВ и ГСЗ, а иногда в тяжелых сейсмогеологических условиях и в МОВ.

Влияние числа зарядов в группе и ихвеличины на параметры возбуждаемыхколебаний

Рассмотрим групповой взрыв т зарядов массой Go каждый в точках Оп О2, . . ., От, расположенных в однородной среде. Допустим, что при взрыве заряда в точке Ог в некоторую точку приема В приходит импульсный сигнал А^), который с помощью интеграла Фурье выражается как

А1^ = ^Г У ^Мехр^мОМ

где Si (со) = j ЛД<) exp (—jtot^dt;to — текущая частота;

Si (го) — комплексный спектр сигнала.

Если взрывы происходят одновременно в нескольких точках и исключены нелинейные взаимодействия между волнами сжатия, возбужденными единичными зарядами, то упругие волны, вызванные взрывами единичных зарядов, придут в точку приема с некоторыми запаздываниями Д<2, Д<3, . . ., ^tm относительно времени прихода волны, возбужденной взрывом заряда в точке Ог (Д<! = 0). Так как заряды одинаковы по массе и предположительно расположены в однородной среде, можно считать, что в результате взрывов каждого из зарядов группы в точку приема В приходят волны, имеющие одну и ту же форму (форма колебаний изменяется с расстоянием значительно медленнее, чем амплитуда) и различающиеся лишь по амплитуде вследствие неодинаковых путей пробега из точек возбуждения до точки приема. Поэтому

Ai (i) = kiAx (t + At(y

В точке приема будет иметь место суммарное колебание

А^АПО + Д МЛМ). (IV-22)

Перепишем формулу (IV.22) с помощью интеграла Фурье:

со

(IV.23)(IV.23)^—"^Г J 8 (ю) ехР (^) ^®>

(IV.23)

(IV.23)

— со

гдегдесо5 (со) ~ J — сосо5 (со) ~ J — сот^1(0 +2 V+^i)/=2т^1(0 +2 V+^i)/=2ехр( —/ю£) dt.ехр( —/ю£) dt.(IV.24)(IV.24)

где

где

со

5 (со) ~ J — со

со

5 (со) ~ J — со

т

^1(0 +2 V+^i)

/=2

т

^1(0 +2 V+^i)

/=2

ехр( —/ю£) dt.

ехр( —/ю£) dt.

(IV.24)

(IV.24)

сейсмического сигнала от числасейсмического сигнала от числаIWI700 -80 -60 -IWI700 -80 -60 -020 ЦО 6080/, Гц,020 ЦО 6080/, Гц,и массы зарядов в группе.— тх = 1, Gi = 0,4 кг, I = 2 (данные по Саратовской области); 2 — m, = 1, Gt = 66 кг, Z = 1,55 (результаты по Западной Туркмении);3 — тх = 3, G] ~ 10 кг, I = 1,8 (ре-зультаты по Башкирии); 4 — 1П: = 3,Gi = 5 кг, Z = 2.3 (результаты поАстраханской области)и массы зарядов в группе.— тх = 1, Gi = 0,4 кг, I = 2 (данные по Саратовской области); 2 — m, = 1, Gt = 66 кг, Z = 1,55 (результаты по Западной Туркмении);3 — тх = 3, G] ~ 10 кг, I = 1,8 (ре-зультаты по Башкирии); 4 — 1П: = 3,Gi = 5 кг, Z = 2.3 (результаты поАстраханской области)Рис. 63. Частотные спектры колебаний, возбуждаемых взрывами групп с различным числом зарядов при постоянной массе единичного зарядаG = 0,4 кг.— т = 1; 2 —- т = 2; з — т = 3;4 —• т = 6; 5 —- т = 12Рис. 63. Частотные спектры колебаний, возбуждаемых взрывами групп с различным числом зарядов при постоянной массе единичного зарядаG = 0,4 кг.— т = 1; 2 —- т = 2; з — т = 3;4 —• т = 6; 5 —- т = 12

сейсмического сигнала от числа

сейсмического сигнала от числа

IWI

700 -

80 -

60 -

IWI

700 -

80 -

60 -

020 ЦО 6080/, Гц,

020 ЦО 6080/, Гц,

и массы зарядов в группе.

— тх = 1, Gi = 0,4 кг, I = 2 (данные по Саратовской области); 2 — m, = 1, Gt = 66 кг, Z = 1,55 (результаты по Западной Туркмении);

3 — тх = 3, G] ~ 10 кг, I = 1,8 (ре-зультаты по Башкирии); 4 — 1П: = 3,Gi = 5 кг, Z = 2.3 (результаты поАстраханской области)

и массы зарядов в группе.

— тх = 1, Gi = 0,4 кг, I = 2 (данные по Саратовской области); 2 — m, = 1, Gt = 66 кг, Z = 1,55 (результаты по Западной Туркмении);

3 — тх = 3, G] ~ 10 кг, I = 1,8 (ре-зультаты по Башкирии); 4 — 1П: = 3,Gi = 5 кг, Z = 2.3 (результаты поАстраханской области)

Рис. 63. Частотные спектры колебаний, возбуждаемых взрывами групп с различным числом зарядов при постоянной массе единичного заряда

G = 0,4 кг.

— т = 1; 2 —- т = 2; з — т = 3;

4 —• т = 6; 5 —- т = 12

Рис. 63. Частотные спектры колебаний, возбуждаемых взрывами групп с различным числом зарядов при постоянной массе единичного заряда

G = 0,4 кг.

— т = 1; 2 —- т = 2; з — т = 3;

4 —• т = 6; 5 —- т = 12

Расстояния между зарядами L при обычных сейсморазведочных работах намного меньше пути пробега воли до точки приема, a L/vK <^ Т (7 — период регистрируемой волны, v^ — кажущаяся скорость ее распространения). Тогда с достаточной степенью точности можно считать kt — 1, А^ = 0. С учетом этого выражения формулы (IV-24) и (IV.23) примут вид

со

s^= J тЛ1(<)ехр(— jat)dt^=mS1(a); (IV.25) — СО

со

Л(<)==1Г J mSi (®) exp (j^t) do = тАг (<).(IV.26)

- со

Таким образом, при выполнении названных выше условий амплитуда упругой волны изменяется пропорционально числу зарядов в группе, а ее спектральная плотность остается неизменной и определяется условиями взрыва, следовательно, Л т

^ mGt = 2 ^й т- е- амплитуда упругой волны пропорцио-

нальна суммарной массе зарядов группы.

Рассмотрим случай, когда суммарная масса зарядов группы сохраняется постоянной, изменяется лишь число зарядов; осталь

ные условия сохраняются прежними. Пусть имеются две группы из тг и т2 зарядов с суммарной массой G каждая. ' При взрывах единичных зарядов этих групп массой G[m1 и G[m2 возбуждаются колебания с амплитудами Л \ и Ла соответственно.

Согласно формуле (IV.8)

У^= / G/^V/1(iv.27)

Л1 X О!тг /\ тп2 /47

При групповых взрывах указанных зарядов регистрируются колебания с амплитудами Лт и Л2, отношение между которыми согласно (IV.26) составит

Л2 А^т^, _ т2 / т^1 \1/;

^1 ~ А\тг ~ х т2 /

Рис. 64. Зависимость спектра возбуждаемых колебаний от массы единичного заряда группы.1 — Gi = 4,8 кг, mt = 1,т2 = 3; 2 — Gt = 1,6 кг, тх — 1, т2 = 3: 3 — Gt = 0,4 кг,mi = 1,т2 = 12Рис. 64. Зависимость спектра возбуждаемых колебаний от массы единичного заряда группы.1 — Gi = 4,8 кг, mt = 1,т2 = 3; 2 — Gt = 1,6 кг, тх — 1, т2 = 3: 3 — Gt = 0,4 кг,mi = 1,т2 = 12(IV.28)

Рис. 64. Зависимость спектра возбуждаемых колебаний от массы единичного заряда группы.

1 — Gi = 4,8 кг, mt = 1,т2 = 3; 2 — Gt = 1,6 кг, тх — 1, т2 = 3: 3 — Gt = 0,4 кг,mi = 1,

т2 = 12

Рис. 64. Зависимость спектра возбуждаемых колебаний от массы единичного заряда группы.

1 — Gi = 4,8 кг, mt = 1,т2 = 3; 2 — Gt = 1,6 кг, тх — 1, т2 = 3: 3 — Gt = 0,4 кг,mi = 1,

т2 = 12

т. е. чем на большее число единичных зарядов дробится суммарная масса зарядов группы, тем больше амплитуда возбуждаемой волны.

И, наконец, общий случай. Пусть при взрыве группы из тк зарядов массой Gk каждый регистрируется сигнал с амплитудой Лг, а при взрыве группы из т2 зарядов массой G2 каждый — сигнал с амплитудой Л2. В соответствии с изложенным выше

Л2 ТП2Л17П1Л2 ТП2Л17П1(IV.29)

Л2 ТП2

Л17П1

Л2 ТП2

Л17П1

Некоторые из результатов экспериментов, выполненных с целью проверки рассмотренных положений, приведены на рис. 62—64. На рис. 62 в безразмерных координатах приведена зависимость амплитуды сигнала от числа (массы) зарядов в группе. За единицу в каждой серии опытов принимался сигнал с амплитудой Л1? соответствующий наименьшему произведению mTGv

Несмотря на то, что эксперименты выполнены в районах с различными сейсмогеологическими условиями при разных условиях взрыва и регистрации, полученные данные хорошо совпадают, что подтверждает справедливость изложенных соображений и формулы (IV.29), которая с успехом может быть использована при полевых работах для выбора параметров группы зарядов и для предварительной оценки эффекта взрыва.

Анализ сейсмограмм, полученных при регистрации колебаний вблизи очага взрыва, показал, что частотный спектр воз- буждаемых волн не зависит от числа зарядов в группе (при расстоянии между ними L = £0) и определяется массой единичного заряда и условиями его подрыва (рис. 63). С увеличением массы единичного заряда спектр упругой волны смещается в область низких частот точно так же, как и при взрыве одиночного заряда с массой, равной массе единичного заряда группы (рис. 64).

Таким образом, результаты экспериментов полностью подтверждают ранее изложенные соображения.

Выбор наиболее экономичной массыединичного заряда группы при работахКМПВ и ГСЗ

При работах КМПВ и ГСЗ, когда обычно используются заряды большой массы, по формуле (IV.29) можно определить оптимальную с экономической точки зрения массу единичного заряда группы. Действительно, при увеличении числа зарядов в группе сокращается количество ВВ, необходимое для получения полезного сигнала заданной интенсивности (IV.28), но при этом увеличивается и число скважин, т. е. возрастают расходы на бурение. С этой точки зрения очевидно наличие оптимальной величины единичного заряда, т. е. такой его массы, при которой в случае использования группы из определенного числа таких зарядов сейсмический сигнал с необходимой амплитудой может быть получен при минимальных материальных затратах.

Допустим, что при взрыве группы из тг зарядов массой Gk каждый регистрируется сигнал с амплитудой А. Требуется получить сигнал с той же амплитудой, но при наименьших материальных затратах. Для этого в соответствии с формулой (IV.29) при р = 1 необходимо изменить число зарядов до т2, а их массу до G^. Определим оптимальную с экономической точки зрения величину каждого заряда G,.

Изменение материальных затрат АФ, т. е. экономия, обусловленная изменением числа зарядов в группе до т2, а массы каждого до G2, составит

АФ = (mjGj — m^G^ z+ (т1— m2) у,(IV.30)

где z — стоимость 1 кг ВВ; у — стоимость одной скважины. 142

Преобразуем выражение (IV.30):

A0_mlG15(l_a_^)+mls(1_^).

Согласно (IV.29) при р = 1

7712/ ^2 \ “1 V

7711\ GT /

С учетом этих преобразований экономия АФ является функцией только изменения массы заряда G^G^

(IV.31)

Определим точки экстремума этой функции

дф+miyTU) =0’

т. е.

c>z <г - *> О Г"=«(%Г~'“ •(iv-32>

Умножая обе части формулы (IV.32) на (^) V получим

G1z(Z-l)=y^J , откуда наиболее экономичная масса заряда

^-дЬу(IV.33)

Нетрудно убедиться, что при значении G2, определяемом формулой (IV.33), функция экономии АФ имеет максимум. Физический смысл формулы (IV.33) прост и в полной мере отражает суть процесса: чем выше стоимость скважины и чем дешевле ВВ. тем больше масса оптимального заряда, чем больше величина I (чем медленнее нарастает амплитуда сигнала с увеличением массы заряда), тем меньше G2.

Определив экспериментально величину I и зная стоимость 1 кг ВВ z и стоимость скважины у в условиях района работ, по формуле (IV.33) легко установить оптимальную величину заряда.

На рис. 65 приведена серия кривых зависимости стоимости групповых взрывов от массы единичного заряда группы для различных условий работ. Цифры в скобках справа у каждой кривой □оказывают число зарядов оптимальной массы, необходимое для получения сигнала заданной интенсивности. Число зарядов любой другой массы, нужное для получения такого сигнала, вычислялось по формуле (IV.29). Все кривые имеют минимум на соответствующем значении G-3№, определяемом по формуле

(IV.33) на основании исходных данных об условиях района работ (табл. 17).

Таблица 17

Номер кри-вой на рис. 65Номер кри-вой на рис. 65Исходные данные по условиям работ для рис. 65

Номер кри-вой на рис. 65

Номер кри-вой на рис. 65

1

2

21

0,6

35

1,54

2

3

30

0,2

75

1,875

3

2

12

0,2

60

1,78

4

1,5 -

20

0,2

200

2,3

5

2,5

24

0,2

80

1,92

6

3

45

0,6

37,5

1,57

ZУ» руб. z, руб.

G3KB* кг

Ig $ЭКВ

Из рис. 65 следует, что неудачный выбор массы единичного заряда может привести к удорожанию группового взрыва на десятки и даже сотни рублей по сравнению со стоимостью группы, составленной из зарядов оптимальной массы. В то же время не слишком большие отклонения массы единичного заряда группы (на ±50%) от оптимальной величины незначительно

Рис. 65. Кривые зависимости стоимости группового взрыва от массы единичного заряда группы для различных условий работРис. 65. Кривые зависимости стоимости группового взрыва от массы единичного заряда группы для различных условий работсказываются на стоимости группового взрыва.

Рис. 65. Кривые зависимости стоимости группового взрыва от массы единичного заряда группы для различных условий работ

Рис. 65. Кривые зависимости стоимости группового взрыва от массы единичного заряда группы для различных условий работ

Рассмотрим теперь более сложный случай, просчитанный Г. И. Авербухом, когда амплитуда колебаний А возрастает медленнее, чем число зарядов т;

А=а^!\(IV.34)

где b > 1.

Тогда выражение (IV.29) примет вид

Л2 _ / т2 у/^ / G^ упо

Ay “ (m! ) \gJР-

(IV.35)

Такой случай может иметь место, когда условия взрыва в различных скважинах не идентичны.

Кроме того, формула (IV.29) предусматривает обеспечение партии буровыми станками, исключающее простои. Если буровых станков недостаточно, следует учитывать дополнительные экономические показатели: х — стоимость 1 ч простоя на геофизических работах, т — время бурения 1 скважины.

Изменение стоимости простоя партии из-за различия времени бурения скважин тх и т2 составит

(тх— т^ хх.

Тогда различие стоимости групповых взрывов, обусловленное изменением числа зарядов в группе до т2, а массы каждого до С2 аналогично формуле (IV.30)

^Ф = m1Vyта"].

L X ^1 / X 1^1/ X ^1 / J

Выразив в соответствии с формулой (IV.35) mjmY через GJG^ получим

( Гл /^V^H , п Гл Vb/H .

нчэт

Продифференцировав по переменной G^Gy и прозведя те же преобразования, что и в предыдущем случае, будем иметь

т (у+™) GST1 =zG^ 6 ~ т)

или

G-^-(1у.зб)

В случае, когда Ъ = 1 (амплитуда колебания возрастает пропорционально числу зарядов в группе), а дополнительные объемы бурения не вызывают простоев партии, формула (IV.36) сводится к (IV.29).

Проанализируем формулу (IV.36). Прежде всего очевидно, что группирование зарядов имеет смысл лишь в том случае, когда Ъ заметно меньше I. Например, если стоимость скважины у — = 30 руб., стоимость 1 кг В В 2 = 0,6 руб., т = 0 (бурение не задерживает геофизических работ), b — 1,2, I = 1,5, то G^ составит 200 кг.

Если при тех же значениях указанных параметров имеет место простой из-за бурения при стоимости 1 ч простоя 45 руб. и времени на бурение одной скважины т -1 ч, С2 будет равно 500 кг. Наоборот, при тех же параметрах и 1/6 — 1, 1/Z =0,5 G^ составит 50 кг, если нет простоя, и 125 кг в случае аналогичного простоя из-за - бурения.

При выборе оптимального заряда следует принимать во внимание не только стоимость В В и бурения и зависимость амплитуды возбуждаемых колебаний от массы зарядов и их числа в группе, но и число буровых станков в партии, их производительность, техническое состояние и т. д.

Рассмотрим коротко основания для выбора единичного заряда группы при взрывах в шурфах. Стоимость шурфа обычно

10 Заказ 419145

достаточно мала, и ею можно пренебречь при расчетах (при применении зарядов большой массы), поэтому при оценке массы заряда в шурфе следует учитывать лишь потери, связанные с преждевременным выбросом продуктов взрыва в воздух.

Рис. 66. Характер зависимости потерь энергии, связанных с выбросом продуктов взрыва в воздух, от массы заряда п глубины его заложения при работах в шурфахРис. 66. Характер зависимости потерь энергии, связанных с выбросом продуктов взрыва в воздух, от массы заряда п глубины его заложения при работах в шурфахНа рис. 66 показан характер кривой зависимости потерь энергии Еп от отношения G]№ [вычислена на основе (IV. 11)]. Для того чтобы потери, связанные с преждевременным выбросом продуктов взрыва в воздух, не были слишком велики, отношение G]№ должно быть возможно ближе к единице или в крайнем случае не превышать 5-8.

Рис. 66. Характер зависимости потерь энергии, связанных с выбросом продуктов взрыва в воздух, от массы заряда п глубины его заложения при работах в шурфах

Рис. 66. Характер зависимости потерь энергии, связанных с выбросом продуктов взрыва в воздух, от массы заряда п глубины его заложения при работах в шурфах

К выбору массы заряда в шурфе на основании (IV. 37) необходимо подходить творчески: при использовании дорогих ВВ (прессованный

или литой тротил) следует увеличивать глубину шурфа, при использовании дешевых ВВ (аммонит № 6, игданит, зернограну- литы с малым содержанием тротила и др.) можно применять довольно большие заряда при малых глубинах шурфов.

Группирование зарядов в водоемахпри работах КМПВ и ГСЗ

При проведении работ КМПВ и ГСЗ в качестве пунктов взрыва часто используются различного вида водоемы (пруды, озера, ручьи и т. д.). Эффективность взрывов в водоемах вследствие передачи энергии взрыва в плотный водонасыщенный грунт заметно выше, чем при взрывах в шурфах, и при правильном подборе условий взрывания приближается к эффективности взрывов в скважинах.

Водоемы, в которых взрывные работы разрешены, обычно ограничены по размерам и глубине. В соответствии с этим следует выбирать величину зарядов.

Для того, чтобы не были слишком велики потери энергии, связанные с прорывом продуктов взрыва в воздух, максимальная масса заряда Gmax при взрывах в водоемах не должна превышать 2,0—2,5Gnp (где Gnp — предельная масса заряда, максимальный радиус пузыря rmax для которого равен глубине водоема ну.

^тах^тах2,5Gnp.2,5Gnp.(IV.37)(IV.37)

^тах

^тах

2,5Gnp.

2,5Gnp.

(IV.37)

(IV.37)

Масса заряда Gnp для разных глубин водоема Н выбирается по графику рис. 67, построенному для условия Н = rmax.

146

Если энергия взрыва заряда массой Gmax недостаточна для получения рабочей сейсмозаписи, целесообразно применять группирование зарядов. Если глубина водоема в пределах располо

жения группы зарядов неодинакова, масса каждого заряда должнажения группы зарядов неодинакова, масса каждого заряда должнаопределяться по графику рис. 67 в соответствии с формулой (IV.37) в зависимости от глубины водоема в месте его заложения. Расстояния между зарядами в группе следует выбирать по формуле (IV. 19) или, если глубина водоема непостоянна, по формуле (IV.20). При ограниченных размерах водоема расстояние между зарядами в группе можно несколько сократить по сравнению с расчетным, но оно ни в коем случае не должно быть меньше полусуммы радиусов пузырей двух соседних зарядов.

жения группы зарядов неодинакова, масса каждого заряда должна

жения группы зарядов неодинакова, масса каждого заряда должна

Возбуждение поперечных волн

При взрыве сосредоточенного за- Рпс- 67. Зависимость глу- ряда в скважине или в шурфе в одно- бпны погружения заряда от родной среде поле волны сжатия об-н = г

ладает сферической симметрией, и поперечных волн не образуется. Для эффективного возбуждения поперечных волн необходимы направленные горизонтальные урилия, вызывающие деформацию сдвига в грунте. Такое воздействие реализуется при ударе груза, подвешенного по типу маятника, по вертикальному срезу (уступу) грунта. Однако ударное воздействие ограничено по энергии и недостаточно для получения отражений от глубинных горизонтов.

Энергия, выделяемая при взрыве заряда ВВ, определяется только размерами заряда. Однако для использования взрывов с целью возбуждения поперечных волн необходимо создать условия, ослабляющие действие взрыва во всех направлениях, кроме одного, или, наоборот, усиливающие действие взрыва в одном из направлений. Такого рода условия были найдены и успешно использованы для возбуждения колебаний при сейсморазведке поперечными волнами.

Первый из способов применяется в случае приповерхностных взрывов. Вдоль поверхности грунта прокапывается (при помощи землеройной техники) канава глубиной до 1,5 м. На стенке канавы закрепляются заряды ВВ, затем канава засыпается рыхлым грунтом (рис. 68). Основное действие взрыва передается в горизонтальном направлении той стенке канавы, на которой

укреплен заряд; действие взрыва на противоположную стенку и дно канавы ослаблено рыхлым грунтом засыпки, в котором волны сжатия сильно затухают с расстоянием (см. гл. 1П? § 4).

Рис. 68. Схема расположения заряда при взрывах у поверхности грунта.1— стенка канавы; 2 — заряд ВВ; 3 — рыхлый грунтРис. 68. Схема расположения заряда при взрывах у поверхности грунта.1— стенка канавы; 2 — заряд ВВ; 3 — рыхлый грунтРис. 69. Схема возбуждения поперечных волн взрывами в скважинах. а — вид сверху; б — вид в разрезе. 1 — вспомогательные скважины; 2 — рабочие скважины; 3 — каверна; 4 — разрушенная зона; стрелки характеризуют скорость движения грунта к разрушенной зоне при взрыве рабочего заряда; 5 — зарядРис. 69. Схема возбуждения поперечных волн взрывами в скважинах. а — вид сверху; б — вид в разрезе. 1 — вспомогательные скважины; 2 — рабочие скважины; 3 — каверна; 4 — разрушенная зона; стрелки характеризуют скорость движения грунта к разрушенной зоне при взрыве рабочего заряда; 5 — зарядПри применении этого способа следует учитывать, что амплитуда продольных волн Лр возрастает практически пропорционально массе заряда G (взрыв в рыхлом грунте) (см. гл. 1П$ § 4), в то время как амплитуда поперечных волн Лд увеличивается значительно медленнее. Если при взрывах малых зарядов

Рис. 68. Схема расположения заряда при взрывах у поверхности грунта.

1— стенка канавы; 2 — заряд ВВ; 3 — рыхлый грунт

Рис. 68. Схема расположения заряда при взрывах у поверхности грунта.

1— стенка канавы; 2 — заряд ВВ; 3 — рыхлый грунт

Рис. 69. Схема возбуждения поперечных волн взрывами в скважинах. а — вид сверху; б — вид в разрезе. 1 — вспомогательные скважины; 2 — рабочие скважины; 3 — каверна; 4 — разрушенная зона; стрелки характеризуют скорость движения грунта к разрушенной зоне при взрыве рабочего заряда; 5 — заряд

Рис. 69. Схема возбуждения поперечных волн взрывами в скважинах. а — вид сверху; б — вид в разрезе. 1 — вспомогательные скважины; 2 — рабочие скважины; 3 — каверна; 4 — разрушенная зона; стрелки характеризуют скорость движения грунта к разрушенной зоне при взрыве рабочего заряда; 5 — заряд

в условиях, показанных на рис. 68, Лд > ЛР вследствие ослабления действия взрыва рыхлым грунтом, то при увеличении массы заряда отношение сигнал/помеха (Лд/ЛР) по указанной причине уменьшается

(в методе поперечных волн продольные волны являются помехами). В связи с этим в рассматриваемом способе для канавы шириной 0,8 м применяются небольшие заряды, обычно не более 0,2 кг (редко 0,4—0,6 кг). Предельные массы зарядов для

другой ширины канавы могут быть оценены по приведенным данным на основе закона подобия. Поскольку указанные вели

чины зарядов недостаточны для получения отражений от глубинных горизонтов, заряды группируются вдоль стенки канавы. Можно применять также детонирующий шнур, распределенный

по стенке канавы.

Во втором способе реализуются взрывы в скважинах. Бурят не менее двух рядов скважин (рис. 69). Во вспомогательных скважинах производится предварительный взрыв, в результате чего вокруг каждого из зарядов линии 1 образуются каверны и разрушенные зоны. После этого производится рабочий (регистрируемый) взрыв в скважинах линии 2, возбуждающий поперечные

волны. Механизм их возбуждения полностью не ясен; можно полагать, что возбуждение поперечных волн в этом случае связано с усилением движения грунта в направлении от линии рабочих зарядов к линии вспомогательных зарядов. Действительно, волна сжатия при отражении от свободной поверхности, которой могут служить трещины зоны разрушения или каверна, как известно, меняет знак и в направлении к рабочим зарядам от свободных поверхностей будет распространяться волна разгрузки. Волна разгрузки усиливает течение грунта в направлении от заряда к свободной поверхности. Максимальное усиление имеет место вдоль прямой линии, соединяющей рабочий заряд со свободной поверхностью. Возникает градиент скорости течения различных слоев (см. рис. 69), и трение друг о друга слоев, двигающихся с различными скоростями, приводит к деформации сдвига, вследствие чего и возбуждаются поперечные волны.

Следует отметить, что даже при взрывах в оптимальных условиях на сейсмограммах регистрируются достаточно интенсивные помехи в виде продольных волн. Для их подавления используется методический прием, названный «вычитанием» и основанный на том, что поперечные волны при изменении направления воздействия на противоположное изменяют свою фазу на обратную. Для этого производятся разнонаправленные взрывы. При использовании канав заряды располагают на противоположных стенках. Сначала взрывают заряды, укрепленные на одной стенке, затем заряды, расположенные на другой, Аналогично этому при взрывах в скважинах с обеих сторон от линии вспомогательных зарядов симметрично бурят два ряда рабочих скважин. При «вычитании» сейсмограмм от разнонаправленных взрывов записи поперечных волн суммируются, так как эти волны имеют противоположные фазы, а записи продольных волн, фазы которых не зависят от направленности взрыва, взаимно погашаются.

Рассмотренные в настоящем параграфе закономерности далеко не всесторонне описывают связь между условиями взрыва и параметрами сейсмических колебаний. Ряд вопросов возбуждения колебаний изучен недостаточно, поэтому приведенные здесь сведения не могут дать ответы на все вопросы, возникающие в практике полевых сейсморазведочных работ. Тем не менее изложенный в гл. III и IV материал при его творческом осмысливании может существенно облегчить решение ряда практических задач.

Приведем несколько примеров.

В § 4 гл. 111 указана решающая роль защемленного воздуха в затухании волн сжатия вблизи очага взрыва, поэтому, например, при работах ГСЗ, если планируется использовать какой-то водоем (пруд, небольшое озеро и т. д.) в качестве постоянного пункта взрыва, следует выяснить, не пересыхал ли этот водоем в недавнем времени. Дело в том, что в результате пересыхания в придонных слоях грунта образуются значительные количества

защемленного воздуха, существенно ухудшающего сейсмическую эффективность взрыва.

Для получения необходимой информации требуются колебания, обогащенные высокочастотными гармониками. В § 4 гл. III сделан вывод, что с увеличением водонасыщенности и плотности грунта, окружающего заряд, время действия волны сжатия уменьшается, следовательно, увеличивается энергия высокочастотных гармоник. В настоящем параграфе указано, что спектр возбуждаемых колебаний не зависит от числа зарядов в группе и при уменьшении массы единичного заряда смещается в область высоких частот. На основании изложенного для решения поставленной задачи целесообразно использовать групповые взрывы малых зарядов, расположенных в плотных, водонасыщенных породах.

§ 3. Наземные «невзрывные» источники сейсмических колебаний

Основные типы импульсных источников

Возможность отказаться от дорогостоящих буровзрывных работ давно привлекала внимание геофизиков различных стран. Были попытки заменить взрывы в скважинах взрывами в воздухе и в шурфах. Но эти методы трудоемки, требуют больших расходов ВВ, поэтому их не удалось внедрить в заметных объемах.

Первый и простейший невзрывной источник сейсмических колебаний — удар свободно падающего груза был опробован давно^ еще, по-видимому, в 30-х годах. Однако ограниченная энергия воздействия и невозможность суммирования слабых сигналов исключили внедрение этого метода в нефтяной разведочной геофизике. Удар свободно падающего груза применялся в весьма ограниченном объеме и для решения частных задач: прослеживание неглубоких горизонтов методом преломленных волн (например, для строительных целей), каротаж неглубоких скважин, исследовательские работы. Так, удар груза, подвешенного по типу маятника, явился первым источником колебаний при разработке метода поперечных волн.

Первые же опыты с падающим грузом, как в СССР, так и за рубежом, показали, например, что наземные невзрывные источники имеют ограниченную мощность; кроме того, сигнал, возбужденный наземным источником, сильно затухает в зоне малых скоростей. В связи с этим наземные невзрывные источники следует отнести к разряду слабых источников: груз массой около 3 т, свободно падающий с высоты 3 м, передает грунту энергию около 90 кДж. Примерно такая же энергия выделяется при взрыве заряда тротила массой 20 г. Правда, в последнем случае условия передачи энергии грунту хуже, чем достигаемые при ударе груза, поэтому наземные источники имеют значительно более высокий «тротиловый эквивалент».

Внедрение сейсмостанций с записью на магнитной пленке и, как следствие, появление сейсмостанций-накопителей открыли новые возможности для внедрения слабых наземных источников, В связи с широким внедрением метода общей глубинной точки

существенно возросли объемы бурения, что явилось новым стимулом для разработки «невзрывных» источников.

- Первыми наземными «невзрывными» источниками явились установки, использующие удары свободно падающего груза. Различные модификации таких устройств эксплуатируются как в СССР, так и за рубежом. Наиболее широкое применение нашла установка «Географ» Мак-Коллума (США), в которой груз в 2,8 т сбрасывается с высоты около 3 м. Устройство, удерживающее груз, срабатывает по электрическому сигналу с сейсмостанции. На грузе установлен прибор, регистрирующий момент его удара о грунт. Подъем груза осуществляется при помощи привода, работающего от двигателя автомобиля. Установка «Географ» смонтирована на автомобиле. Она эксплуатировалась в различных районах США и других стран.

По данным рекламного характера, удар этой установки по сейсмической эффективности эквивалентен взрыву заряда тротила массой 0,5 кг в неглубоком шурфе. Однако в процессе эксплуатации были выявлены ее существенные недостатки. Прежде всего вследствие низкой скорости падения груза (менее 8 м/с) небольшие неровности грунта и углубление отпечатка груза при последовательных воздействиях в одной точке ухудшали синхронность ударов и, как следствие, синхронность возбуждаемых сигналов, что снижало эффективность их накопления на магнитной ленте. Действительно, изменение рельефа грунта или глубины отпечатка от 3 до 6 см приводит к изменению времени пробега груза от 3,75 до 7,5 мс, с соответствующим изменением времени вступления возбуждаемых колебаний, слишком большим для их эффективного суммирования.

Кроме того, как показали результаты экспериментов, основная часть энергии колебаний, возбуждаемых установкой «Географ», относится к частотам ниже 25 Гц, что во-первых, снижает разрешающую способность сейсморазведки с таким источником и, во-вторых, затрудняет выделение отражений на фоне низкочастотных поверхностных волн при помощи фильтрации.

Для повышения скорости падения груза был предложен ряд способов, например, разгон груза сжатой пружиной или электромагнитным полем, дополнительное ускорение груза за счет создания под ним вакуума и т. д. Однако сколько-нибудь заметного промышленного применения эти способы не получили.

Прежде чем перейти к рассмотрению других типов источников, остановимся вкратце на основных требованиях, предъявляемых к ним сейсморазведкой. Это прежде всего достаточно высокие энергия воздействий и их синхронность, широкий набор частот спектра возбуждаемых колебаний, наконец, мобильность источника.

Эти требования предусматривают источник с быстрым освобождением накопленной тем или иным способом энергии. Такие источники на основе взрыва газовых смесей, расширения сжатого

невзрывчатого газа, разряда батареи конденсаторов впервые были внедрены при сейсморазведке на акваториях (см. гл.У), где сильнодействующим стимулом их разработки и внедрения явился запрет на сейсмические работы с применением конденсированных ВВ. Впоследствии источники сейсмических колебаний на основе указанных видов освобождения энергии были разработаны и опробованы для целей наземной сейсморазведки.

Не все источники нашли промышленное применение, однако знание принципов их работы поможет инженеру-геофизику как при эксплуатации существующих источников, так и при внедрении новых установок.

Разряд батареи конденсаторов на электроды с промежутком между ними, заполненным водой, был реализован в установке «Диносейс» (США). Основной ее элемент — стальная герметичная емкость, заполненная водой, с гибким днищем (диафрагмой), устанавливаемым на специальную плиту. Электроды размещены внутри емкости. При расширении парогазовой полости, образующейся при разрядке, диафрагма прогибается и давит на плиту с определенной силой, а плита передает это воздействие грунту.

В СССР был достаточно успешно опробован электроискровой источник «ЭИВУК» при работах в скважинах с использованием оейсмостанции-накопителя. Были получены качественные сейсмические материалы, однако «ЭИВУК» не нашел промышленного применения при работах МОВ и МОРТ из-за необходимости бурения скважин на каждом пикете возбуждения.

Имеются сведения об успешном опробовании этого источника при вертикальном сейсмическом профилировании (ВСП), где перспективы внедрения его значительно выше: глубокая скважина может быть отработана из одной-двух скважин, предназначенных для возбуждения колебаний, в то время как при использовании конденсированных ВВ потребуется во много раз больше взрывных скважин.

На несколько иной основе используется разряд батареи конденсаторов во внедряемой в СССР электродинамической установке «Сейсмодин», работа которой основана на взаимодействии магнитных полей, возникающих при разряде.

Несколько типов пневматических источников были разработаны для наземной сейсморазведки. Основным узлом пневматической установки «Террапак» (США) (рис. 70) является силовой механизм, заимствованный из металлообрабатывающей промышленности и переоборудованный для целей наземной сейсморазведки. Источник представляет собой цилиндр 1, разделенный поршнем 2, который связан штоком 3 с ударной плитой 4.

В объем А под поршнем подается сжатый азот под давлением порядка 10 кгс/см2; вспомогательный поршень 8 в это время находится в крайнем нижнем положении. Под действием давления поршень 2 вместе со штоком 3 и плитой 4 поднимается в край-

нее верхнее положение. Клапан 5 в это время открыт, и объем Б сообщается с атмосферой. Затем в объем В подается сжатый воздух из батареи баллонов до давления 120 кгс/см2. По электрическому сигналу от сейсмостанции срабатывает быстродействующий вентиль 6, подающий небольшое количество сжатого воздуха под давлением 120 кгс/см2 в объем Б.

Под действием давления в объеме Б поршень 2 смещается, и сразу же на него начинает действовать сжатый воздух, находившийся в объеме В.

Ударный механизм — поршень 2, шток 3, плита 4 с большим отрезке пути в 25 см набирает

ускорением движется вниз и на скорость до 18 м/с. Таким образом, при массе ударного механизма 630 кг энергия удара по грунту составляет 10500 кгс-м. Движение цилиндра 1 вверх компенсируется пневматическими амортизаторами. С помощью этих амортизаторов (путем изменения давления в них) регулируется высота цилиндра над грунтом.После удара включается насос 7, подающий масло под давлением в объем Г под вспомогательный поршень 8. Под действием давления масла поршень 8 поднимается вверх, сжимая азот в объеме А. По мере подъема поршня 8 и по-ускорением движется вниз и на скорость до 18 м/с. Таким образом, при массе ударного механизма 630 кг энергия удара по грунту составляет 10500 кгс-м. Движение цилиндра 1 вверх компенсируется пневматическими амортизаторами. С помощью этих амортизаторов (путем изменения давления в них) регулируется высота цилиндра над грунтом.После удара включается насос 7, подающий масло под давлением в объем Г под вспомогательный поршень 8. Под действием давления масла поршень 8 поднимается вверх, сжимая азот в объеме А. По мере подъема поршня 8 и по-Рис. 70. Схема пневматической установки «Террапак»Рис. 70. Схема пневматической установки «Террапак»вышения давления в объеме А

ускорением движется вниз и на скорость до 18 м/с. Таким образом, при массе ударного механизма 630 кг энергия удара по грунту составляет 10500 кгс-м. Движение цилиндра 1 вверх компенсируется пневматическими амортизаторами. С помощью этих амортизаторов (путем изменения давления в них) регулируется высота цилиндра над грунтом.

После удара включается насос 7, подающий масло под давлением в объем Г под вспомогательный поршень 8. Под действием давления масла поршень 8 поднимается вверх, сжимая азот в объеме А. По мере подъема поршня 8 и по-

ускорением движется вниз и на скорость до 18 м/с. Таким образом, при массе ударного механизма 630 кг энергия удара по грунту составляет 10500 кгс-м. Движение цилиндра 1 вверх компенсируется пневматическими амортизаторами. С помощью этих амортизаторов (путем изменения давления в них) регулируется высота цилиндра над грунтом.

После удара включается насос 7, подающий масло под давлением в объем Г под вспомогательный поршень 8. Под действием давления масла поршень 8 поднимается вверх, сжимая азот в объеме А. По мере подъема поршня 8 и по-

Рис. 70. Схема пневматической установки «Террапак»

Рис. 70. Схема пневматической установки «Террапак»

начинает движение вверх ударный механизм 2—4. В конце концов поршень 2, полностью вытеснив сжатый воздух в объем В, занимает крайнее верхнее положение, после чего открывается клапан 5 и остатки сжатого воздуха из объема Б сбрасываются в атмосферу. Выключается насос 7, и поршень 8 под действием давления азота в объеме А вытесняет масло в бак, после чего закрывается клапан 5; «Террапак» готов к следующему удару.

К достоинствам установки «Террапак» следует отнести небольшой расход воздуха: воздух в рабочем объеме В сжимается за счет работы гидронасоса 7. Таким образом, для обеспечения работ не требуется мощного компрессора.

Установка смонтирована на трехосном автомобиле; общая масса ее 18 т. Ударная плита 4 имеет диаметр 1,5 м. При названных параметрах воздействия плита при первом ударе по грунту вдавливается на 1,5—4,5 см (в зависимости от свойств грунта). При следующих ударах в той же точке деформации грунта последовательно уменьшаются.

По принципу действия к «Террапаку» близка установка СИП — самоходный излучатель поверхностный, в которой вместо сжатого воздуха используются взрывчатые газовые смеси.

В другом типе пневматического источника использованы камеры, применявшиеся для морской сейсморазведки (см. гл. V). Пневматическая камера, аналогичная изображенной па рис. 90, помещается в заполненный водой контейнер, днище которого выполнено в виде гибкой диафрагмы (аналогично установке «Dina- pulse»). Возникающая при выхлопе сжатого воздуха сила действует через диафрагму на поверхность грунта, возбуждая в нем сейсмические колебания.

Наибольшее применение среди импульсных наземных источников нашли различные модификаций установки «Диносейс»

Рис. 71. Схема первого варианта взрывной камеры установки «Диносейс»Рис. 71. Схема первого варианта взрывной камеры установки «Диносейс»Рис. 72. Схема основного варианта взрывной камеры установки «Диносейс»Рис. 72. Схема основного варианта взрывной камеры установки «Диносейс»

Рис. 71. Схема первого варианта взрывной камеры установки «Диносейс»

Рис. 71. Схема первого варианта взрывной камеры установки «Диносейс»

Рис. 72. Схема основного варианта взрывной камеры установки «Диносейс»

Рис. 72. Схема основного варианта взрывной камеры установки «Диносейс»

(США), в которой для возбуждения колебаний используется энергия взрыва газовой смеси кислород—пропан.

В первом варианте этой установки в качестве источника использовалась камера, изготовленная в виде сильфона 1 (рис. 71). Во внутренний объем А камеры через ввод 2 подается газовая смесь. Смесь воспламеняется искрой при разряде на искровую свечу. Давление в объеме А быстро возрастает, сильфон стремится расшириться в вертикальном направлении и ударная плита 3, обладающая намного меньшей инерцией по сравнению с «реактивной» массой 4, резко вдавливается в грунт. Установка смонтирована на скрепере. Для повышения эффективности воздействия камера не просто опускалась на грунт, но и прижималась к нему за счет части массы скрепера, приложенной к камере через гидравлическую систему. Диаметр камеры составляет 1,5 м, масса камеры около 4 т.

Более широко применяются установки «Диносейс» с камерами диаметром от 500 до 900 мм (рис. 72). Основными деталями камеры являются цилиндр 1 с днищем 2, поршень 3, крышка 4. В объем А подается сжатый воздух под давлением порядка 2— 4 кгс/см2, в объем Б — газовая смесь; при этом поршень 3 мо- 154

жет приподняться вверх, сжимая воздух в демпферном объеме А. Смесь воспламеняется искрой, горение в металлическом шланге переходит в детонацию, и детонационная волна через ввод 5 попадает в объем Б, инициируя находящуюся там смесь. Давление в объеме Б резко возрастает, и днище у цилиндра вдавливается в грунт, возбуждая в нем сейсмические колебания, а поршень 3 движется вверх.

Через малый промежуток времени, достаточный для передачи энергии в грунт, под действием давления продуктов взрыва в объеме Б открывается выхлопной клапан 6, и продукты взрыва через глушитель 7 сбрасываются в атмосферу. В момент, когда силы, действующие на днище 4 (давление продуктов) и на крышку (давление воздуха в объеме А), уравняются, камера оторвется от грунта и будет двигаться вверх за счет энергии, сообщенной поршню. Гидравлическая система обеспечивает свободное движение камеры вверх и притормаживает ее при опускании. Камера возвращается на грунт плавно, интенсивность волн-помех при этом невелика, они практически не регистрируются на сейсмограммах.

Установки «Диносепс» монтируются на различных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, прицепах и т. д.). В зависимости от грузоподъемности транспортной базы и размеров камеры установка оборудуется одной, двумя (чаще всего) или четырьмя камерами, срабатывающими одновременно. При полевых сейсморазведочных исследованиях применяют 3—5, а иногда и больше синхронно работающих установок, обслуживающих сейсмостанцию-накопитель.

Перемещения нескольких установок «Диносепс» в процессе накопления сигналов позволяет реализовать самые сложные по конфигурации «группы источников», позволяющие высококачественно выделять полезные сигналы на фоне различного рода помех. Мобильность установок «Диносейс» обеспечивает высокую производительность работ при существенном снижении их стоимости за счет отказа от бурения взрывных скважин и от применения конденсированных ВВ.

По принципу действия «Диносейс» близка к установке «Флекс-О-Ган» (США). Основой ее являются газовая система «Диносейс» и взрывные камеры, предназначенные для погружения внутрь среды. В варианте наземных работ на одной транспортной единице две камеры крепятся на гидроцилиндрах, обеспечивающих их задавливание в болотистые или другие мягкие грунты на глубину до 6 м. При работе на акваториях камеры буксируются судном на заданной глубине.

По принципу действия камеры «Флекс-О-Ган» близки к пневматическим излучателям, описанным в § 4 следующей главы. Существенным отличием является лишь то, что вместо сжатого воздуха в рабочий объем подается газовая смесь пропан— кислород под давлением около 4 кгс/см2. При взрыве смеси

(смесь поджигается искрой в шланге, горение разгоняется до детонации и детонационная волна инициирует смесь в рабочем объеме) вследствие быстрого, практически мгновенного повышения давления в рабочем объеме до 100—120 кгс/см2, поршень, запирающий рабочий объем, смещается, и продукты взрыва через

выхлопные отверстия вырываются в окружающую среду, возбуждая в ней сейсмические колебания.

Как уже отмечалось, установка «Флекс-О-Ган» предназначена для работ как в наземных, так и в морских условиях. Уста

Рис. 73. Схема источника на базе дизель-молотаРис. 73. Схема источника на базе дизель-молотановки «Диносейс» также успешно эксплуатировались при морской сейсморазведке.

Рис. 73. Схема источника на базе дизель-молота

Рис. 73. Схема источника на базе дизель-молота

По характеру воздействия промежуточное положение между источниками с ударом свободно падающего груза и источниками, использующими взрывы газовых смесей, занимает разрабатываемая в СССР установка на базе строительного дизель-молота. Принцип действия установки заключается в следующем (рис.73, а): плита 1 с поршнем 2 устанавливается на грунт, груз 5 до 2 т с выемкой А поднимается в верх

нее положение и удерживается там специальным захватывающим устройством 4. По электрическому сигналу от сейсмостанции захватывающее устройство освобождает груз, и он падает вниз по направляющим 5 таким образом, что выемка А' груза 3' садится на поршень 2 плиты 1. В этот момент через форсунку 6 в выемку А' впрыскивается дизельное топливо. Движение груза вниз продолжается, и находящийся в выемке воздух с распыленным в нем дизельным топливом разогревается вследствие адиабатического сжатия. При определенном заданном положении цилиндр 3 — поршень 2 смесь воспламеняется разрядом искровой свечи. Давление в выемке резко повышается, благодаря чему плита 1 вдавливается в грунт, а груз 3 летит вверх, где захватывается устройством 4; установка готова к следующему воздействию.

Необходимо отметить, что воздействие плиты на грунт на-

чинается не в момент взрыва смеси, а несколько ранее: на грунт передается воздействие, обусловленное повышением давления в выемке А' при посадке на поршень 2. Зависимость нагрузки на плиту от времени показана на рис. 73, б, где начальное плавное нарастание силы, действующей на плиту, связано с повышением давления в смеси при сжатии, а резкое повышение и резкий спад — со взрывом смеси.

Особняком стоит установка «Геофлекс» (США). Принцип действия установки заключается в следующем. Буксируемый трактором плуг прокладывает канаву, в которую по мере движения плуга укладывается детонирующий шнур (ДШ). Бороиа, буксируемая вслед за плугом, засыпает ДШ грунтом. Длина канавы 50—100 м. Используются также групповые взрывы отрезков ДШ в нескольких параллельных канавах. Применение столь длинных зарядов, расположенных вдоль профиля, дает возможность успешно подавлять как поверхностные, так и звуковые волны.

В СССР аналогичные установки основаны на несколько ином принципе: вместо плуга используются также серийно выпускаемые канавокопатели, позволяющие укладывать ДШ на большую глубину (до 1 м и более), что обеспечивает несколько меньшее по сравнению с «Геофлекс» затухание колебаний в верхних слоях (ЗМС), отличающихся наиболее высоким поглощением. При опробовании таких установок получены положительные геологические материалы; начато их широкое внедрение.

Все из рассмотренных выше устройств передают грунту кратковременное (с длительностью порядка десятка миллисекунд) воздействие, поэтому носят общее название — импульсные источники сейсмических колебаний.

Вибрационные источники сейсмических колебаний

Особое место как по способу возбуждения колебаний, так и по объему применения за рубежом получил метод, названный вибрационным.

Вибрационные методы и аппаратура различного типа для их реализации разрабатывается и подготавливается к внедрению рядом организаций Советского Союза.

Суть этого метода сводится к следующему. К поверхности грунта прикладывается нагрузка в форме синусоиды с частотой /, плавно изменяющейся по заранее заданному закону. Продолжительность нагрузки (сеанс посылки) 7—8 с (иногда и больше). Максимальная сила нагрузки достигает 8—10 тс. Частота нагрузки изменялась на первых порах от 20 до 80—100 Гц. В последние годы для увеличения глубинности применяют посылки с изменением частоты от 10—12 до 40—60 Гц. Общая длительность записи достигает 12 —14 м и складывается из времени сеанса посылки и длительности полезной записи.

Зарегистрированные при помощи обычных сейсмоприемников записи подвергаются специальной обработке, которая заключается в вычислении взаимокорреляционной функции между колебаниями, сообщенными поверхности грунта, и колебаниями, зарегистрированными сейсмоприемниками, и сводится к преобразованию вибрационной сейсмозаписи в импульсный вид — к свертыванию записи. Обработка производится на вычислительных центрах.

Для реализации синусоидальной нагрузки на грунт используются гидравлические вибраторы с электронно-электрическим управлением, обеспечивающим изменение частоты приложения нагрузки по заданной программе. Вибратор, плита, передающая нагрузку грунту, и системы обеспечения и управления

монтируются на транспортных базах различного типа (автомобили, тракторы, вездеходы). Общая масса установок достигает 16—18 т.

Для повышения глубинности исследований применяют 3—4 одновременно и синхронно работающих установки. Регистрация осуществляется большой группой сейсмоприемников. Отдельные сеансы посылки на одном пикете возбуждения повторяются до 10—30 раз, и полученные записи синхронно суммируются.

Нагрузка на грунт передается через стальную плиту площадью до 2 м2. Таким образом, при существующих нагрузках (до 10 тс) вибрационные источники в отличие от импульсных воздействуют на грунт в пределах упругих деформаций, что позволяет достигать высокой воспроизводимости возбуждаемых сигналов.

Вибрационные источники были внедрены на несколько лет раньше перечисленных выше импульсных, за исключением ударной установки «Географ». На первом этапе применения вибрационного сейсмического метода его преимущества видели в ненадобности бурения взрывных скважин, в повышении производительности и безопасности работ по сравнению со взрывами, в хорошей воспроизводимости возбуждаемых сигналов. Однако по мере развития и внедрения невзрывных методов возбуждения колебаний выяснилось, что импульсные источники обладают указанными качествами в такой же или почти в такой степени, но не требуют • сложной аппаратуры для преобразования полевых записей в импульсный вид. Более того, импульсные источники не требуют коренного изменения методики и технических средств сейсморазведки. В связи с этим основные преимущества и недостатки вибрационных и импульсных источников следует искать в тех их особенностях, которые позволяют выделять полезные сигналы на фоне помех.

Регулярные волны, регистрируемые при применении любых импульсных источников, по форме близки к случайным естественным помехам (от транспорта, полевых работ, промышленных предприятий, ветра и т. д.). При использовании вибрацион- , ных источников выделяется сигнал, параметры которого известны. j Благодаря тому, что искусственная форма сигнала сильно отличается от формы естественных случайных помех, создаются благоприятные условия для обнаружения полезных сигналов от вибрационных источников на фоне помех, возбуждаемых естественными источниками. Однако это затрудняет выделение полезных сигналов на фоне помех, возбуждаемых непосрёдственно самим вибрационным источником, особенно в тех случаях, когда волны- помехи во много раз превосходят по интенсивности отражения от глубинных границ.

Следовательно, из-за повышенной помехоустойчивости вибра- ' ционных сейсмических методов к нерегулярным помехам снижается помехоустойчивость к регулярным волнам-помехам, возбуждаемым самим источником.

1581

В качестве недостатков вибрационного метода нужно отметить «нечитаемость» первичных полевых записей и ограниченность в выборе систем наблюдения.

Мощность вибрационного источника намного меньше мощности импульсного [по суммарной энергии, переданной в грунт, небольшая мощность вибрационных источников компенсируется длительным (7—8 с) сеансом посылки], поэтому он работает в пределах упругих деформаций, что позволяет добиться высокой воспроизводимости возбуждаемых сигналов.

При вибрационном возбуждении отдельные спектральные составляющие вводятся в среду последовательно во времени, что позволяет формировать практически любой спектр генерируемого сигнала. Управление спектром дает возможность существенно улучшить в некоторых районах качество получаемых сейсмических материалов по сравнению с другими видами источников.

Таким образом, вибрационные и импульсные методы имеют свои технико-экономические преимущества и недостатки, поэтому некоторые сейсморазведочные задачи, сравнительно просто решаемые испульсными источниками, могут оказаться трудными при применении вибрационных методов, и наоборот. Вибрационные и импульсные источники должны не конкурировать, а дополнять друг друга.

Влияние параметров механического воздействияна характеристики возбуждаемых колебаний

Процесс возбуждения при использовании описанных наземных невзрывных источников (исключая «Геофлекс») сводится к удару груза по грунту или к ударной нагрузке, передаваемой в грунт через какую-либо металлическую плиту. При этом плита не только перераспределяет воздействие на большую площадь, снижая таким образом энергию, расходуемую на разрушение грунта, но и вместе с поверхностью грунта образует некоторую колебательную систему, преобразующую импульс, действующий на плиту.

При постоянных параметрах воздействия на плиту смещение ее с увеличением массы увеличивается до некоторого предела, а затем уменьшается. Чем выше масса плиты, тем больше период ее колебательного смещения (вместе с поверхностью грунта). При уменьшении массы плиты форма ее колебаний приближается к форме импульса действующей силы. При увеличении площади плиты, контактирующей с грунтом, период ее колебаний уменьшается незначительно, а величина смещения — существенно. При повышении модуля упругости грунта амплитуда колебаний плиты падает, а период их несколько уменьшается.

Таким образом, изменяя массу плиты и ее площадь, для определенного типа грунта можно получать импульсы воздействия с?различными параметрами.

Если удельная нагрузка на грунт р при ударном воздействии не превышает предела упругости грунта щ, то форма и амплитуда возбуждаемых колебаний не зависят от номера воздействия N при последовательных ударах по одной и той же площадке; после нескольких десятков таких воздействий на поверхности грунта практически не остается отпечатка.

Если р > as, то при ударных воздействиях грунт уплотняется, причем амплитуды возбуждаемых колебаний с номером удара N возрастают. Это объясняется тем (см. гл. III, § 4), что вторичное нагружение грунта (до величины максимального напряжения атах, достигнутого при первом нагружении) происходит практически по закону разгрузки. Предел упругости щ2 ^..при повторном воздействии

>— ।i^J на грунт практически равен

/।।2 ^тах,, и, хотя максимальное

।напряжение при повторном

Naz N03 мкз nk2 nРис. 74. Характер зависимостиамплитуды возбуждаемых колебанийот числа ударных воздействий поодной и той же площадке.1 — р, < <ц; 2 — р, > а$; з —Рз> Pz> Osдальнейшие удары по той же плNaz N03 мкз nk2 nРис. 74. Характер зависимостиамплитуды возбуждаемых колебанийот числа ударных воздействий поодной и той же площадке.1 — р, < <ц; 2 — р, > а$; з —Рз> Pz> Osдальнейшие удары по той же пл^;1нагружении атах2 > атаХ|, необратимые изменения структуры грунта меньше, чем првг предыдущем Воздействии. В связи с этим при р > os с увеличением номера воздействия снижается энергия, расходуемая на необратимые деформации грунта. Наконец, после определенного количества воздействий щадке практически не вызывают

Naz N03 мкз nk2 n

Рис. 74. Характер зависимостиамплитуды возбуждаемых колебанийот числа ударных воздействий поодной и той же площадке.

1 — р, < <ц; 2 — р, > а$; з —Рз> Pz> Os

дальнейшие удары по той же пл

Naz N03 мкз nk2 n

Рис. 74. Характер зависимостиамплитуды возбуждаемых колебанийот числа ударных воздействий поодной и той же площадке.

1 — р, < <ц; 2 — р, > а$; з —Рз> Pz> Os

дальнейшие удары по той же пл

уплотнений грунта и амплитуда возбуждаемых колебаний с увеличением N свыше Nq (до определенных пределов, зависящих от нагрузки на грунт и свойств грунта) остается неизменной. Затем при некотором N^ происходит разрушение структуры грунта, и амплитуда возбуждаемых колебаний для N > Nk

начинает уменьшаться.

На рис. 74 приведены типичные кривые зависимости амплитуды возбуждаемых колебаний А от номера воздействия для различных удельных нагрузок на грунт. Чем больше р, тем при большем Nti амплитуда колебаний достигает максимума и тем меньше Nk [тем короче пологий участок кривой А = /(А^)]. Величина N^ зависит от свойств грунта; в частности, при увеличении влажности грунта N^ возрастает.

При интенсивных воздействиях, свойственных импульсным наземным источникам, особенно велика разница между амплитудами колебаний, возбуждаемыми первым (Лх) и вторым (Л2) воздействиями: отношение А^Л^ может достигать 1,4—1,6. Различия между А2 и А3, А3 и А4 значительно меньше, поэтому при использовании наземных источников первое воздействие по заданной площадке очень часто не регистрируется и служит лишь

для предварительного уплотнения грунта.

В связи с уплотнением грунта период возбуждаемых колебаний для N <5 No несколько уменьшается с номером воздействия. Разрушение структуры грунта (N >> N^ приводит не только к уменьшению амплитуды, но и к увеличению периода возбуждаемой волны.

Воздействие на грунт (или передающую плиту) можно охарактеризовать двумя параметрами: энергией Е и импульсом I (при ударе свободно падающего или искусственно разгоняемого груза вместо импульса воздействия в качестве параметра может быть использовано значение количества движения).

Рис. 75. Зависимость амплитуды и периода колебаний от энергии (а) и импульса удара (б).

Ео = 330 кгс-м, /0 = 305 кгс-с

Экспериментальные кривые зависимости амплитуды А (кривые 7) и периода Т (кривые 2) возбуждаемых колебаний от энергии удара Е свободно падающего груза (при I = const) и от импульса удара I (при Е = const) приведены на рис. 75. Из рисунка видно, что амплитуда и период колебаний возрастают как при увеличении значения Е, так и при повышении величины I. Однако энергия удара влияет на амплитуду колебаний значительно больше, чем на их период, и, наоборот, при увеличении импульса удара период колебаний возрастает сильнее, чем амплитуда. Таким образом, амплитуда колебаний определяется при прочих равных условиях в основном энергией воздействия, а главным фактором, влияющим на период колебаний, является импульс воздействия.

Поскольку поверхностные источники возбуждают достаточно низкочастотные колебания ^Т до данным рис. 75 изменяется от 23 до 35 мс), то одним из требований к невзрывному наземному

Рис. 76. Схема взрывной камерыРис. 76. Схема взрывной камерыисточнику является получение воздействия с высокой энергией и не слишком большим импульсом (количеством движения).

Рис. 76. Схема взрывной камеры

Рис. 76. Схема взрывной камеры

Рассмотрим факторы, которые могут влиять на параметры воздействия на примере источника, использующего энергию взрыва газовой смеси.

Основной принцип действия таких источников, в том числе и сильно различающихся по конструкции, иллюстрируется рис. 76. Поршень 1, связанный штоком 2 с ударной плитой 3, разделяет цилиндр 4 на два объема — А и Б. В объем Б (демпферный) подается воздух под давлением р0 в несколько килограмм- сил на квадратный сантиметр (как для удержания поршня с плитой в заданном положении, так и для их возвращения в исходное положение после воздействия). Объем А заполняется до давления р'о газовой смесью, при взрыве которой" давление в объеме А практически мгновенно достигает значения 7*01 = к *7о (при взрывах стехиометрических смесейкислород—пропан—

бутан к* изменяется в зависимости от состава горючего в пределах 20—25).

При взрыве смеси поршень 1 разгоняет плиту, которая, пройдя некоторый дуть Кь ударяет по грунту. Цилиндр 4 в это время поднимается вверх.

Обозначим перемещение поршня (плиты) вниз через hx и цилиндра вверх — через Л2- Уравнение движе

ния действующей на грунт массы Мг (поршень—шток—плита) в рассматриваемом случае имеет вцд

М1 "сПл" ~ Р^\ — ^21^2^”^1^’

(IV.38)(IV.38)где Pi и р3 — переменные давления в детонационном и демпферном объемах соответственно; St — площадь верхней торцевой поверхности поршня; S2 — площадь нижней торцевой поверхности поршня (с учетом размеров штока); g — ускорение свободного падения.

(IV.38)

(IV.38)

Так как в нашем случае процесс близок к адиабатическому, то

РаРаnhunho— hnhunho— h(IV.39)(IV.39)/ к V*

Ра

Ра

nhunho— h

nhunho— h

(IV.39)

(IV.39)

где hp — начальная высота столба газовой смеси (см. рис. 76); п = S^ ^Б — величина демпферного объема); h = hx + h2

(см. рис. 76); кх и к2 — отношения теплоемкостей cp]cv для продуктов взрыва и воздуха.

- Если пренебречь силами тяжести и силой давления воздуха в демпферном объеме (так как сила давления продуктов взрыва на порядок и более выше на первых этапах движения), то в любой момент времени на ударный механизм с массой Мх и цилиндр 4 с массой М2 действует одна и та же сила.

В связи с этим цилиндр и ударный механизм за любой промежуток времени М приобретают практически одинаковое количество движения, т. е.

MXVX = Л72У2,

откуда

М1 •

С учетом этого выражения формула (IV.39) примет вид

Pi = Poi’(IV. 40)

Р^Р^пко-к^Дм^М^ ] •(IV.41)

Подставив (IV.40) и (IV.41) в уравнение движения (IV.38), получим

J 0ро1_ н7г0-М1+“) J + g’

(IV.42) где

m = MxjSx;a = MJM 2;p = S2jSv

... dh.x... dh.x= /2^0 У= /2^0 УРогmg 0ч —1) (1 + «)Рогmg 0ч —1) (1 + «)Интегрируя (IV.42), получим для скорости перемещения ударного механизма.

... dh.x

... dh.x

= /2^0 У

= /2^0 У

Рог

mg 0ч —1) (1 + «)

Рог

mg 0ч —1) (1 + «)

_ ГТ-Ч

Г L^o + ^i(I + a) J )

(IV.43)(IV.43)”Рро(Г nhp"1Й2-1 a h.xmg (/с2 —1) (1+<х) (L «/го —М1+“) J J ‘ /го

(IV.43)

(IV.43)

Для продуктов взрыва смеси кислород—пропан—бутан кх — 1,25, для воздуха к^ = 1,4.

Проанализируем решение (IV.43). Прежде всего видно, что с увеличением пути разгона hx скорость ударного механизма и, следовательно, энергия воздействия возрастают.

Для схемы источника, приведенной на рис. 76, очевидно наличие максимума энергии воздействия. Действительно, по мере смещения поршня относительно цилиндра рх падает, а р^ возрастает. При к^ соответствующем равенству pxSx = p^S^ энергия, приобретенная поршнем, достигает максимума, и дальнейшее увеличение hx будет вызывать уменьшение скорости перемещения ударного механизма; величина определяется параметрами конструкции источника.

Скорость перемещения ударного механизма возрастает также с увеличением р01 (или, что практически то же самое, р*^ и Рт/т и с уменьшением т и а. Путем уменьшения величины Мх можно достичь преимущественного возрастания энергии воздействия по сравнению с его импульсом.

Схема приведенного расчета пригодна также для источников, использующих для разгона ударного механизма энергию сжатого невзрывчатого газа.

Выводы, следующие из формулы. (IV.43), — возрастание энергии воздействия с увеличением параметров E^V^ (вместо р01), Е^т, а и с уменьшением т {Е^ — выделившаяся энергия, Vo — объем, в котором выделилась энергия Е^ справедливы и для источников других типов.

На основе приведенной схемы расчета ВНИИГеофизикой разработаны генераторы сейсмических колебаний — установки СИП и ГСК, использующие энергию взрывов газовых смесей. По принципу действия и техническим параметрам эти установки близки к описанным выше источникам «Диносейс».

Установки СИП и ГСК эксплуатируются в различных районах СССР, в том числе на участках с тяжелыми условиями бурения и возбуждения. Повсеместно получены при ограниченном числе суммируемых воздействий (обычно не более чем по 16 воздействий двух синхронно работающих установок) интерпретируемые сейсмические материалы, по качеству и глубинности исследований не уступающие материалам от взрывов тротила в скважинах, а в ряде случаев даже превосходящие их. Установки ГСК в настоящее время выпускаются серийно.

Задачи к главе IV

Определить оптимальную с экономической точки зрения величину единичного заряда и расстояние между такими зарядами в группе. Используется литой тротил (0,6 руб./кг), стоимость взрывной скважины — 24 руб.; амплитуда колебаний возрастает с массой заряда по закону А = kV G.

Решение. Согласно формуле (IV.33) оптимальная масса заряда

G “оТ^иГ = 40 кг'

Оптимальное расстояние между такими зарядами [см. формулу (1V.19)]

£о = Зэ/4О № 10 м.

Задачи для самостоятельного решения

При взрыве заряда массой 1 кг регистрируется волна, максимум спектра которой соответствует частоте 55 Гц. На какой частоте будет иметь место спектр этой же волны при взрыве заряда в 30 кг ? Формула (1V.9) ПрИ 2^В районе исследований для получения необходимой информации при работах ГСЗ взрывали заряды массой 2000 кг в одной скважине (в камуф- летной полости). Определить оптимальную массу единичного заряда, число зарядов и расстояния между ними, необходимые для достижения такого же эФФе^тоИМОСть 1 кг ВВ 0,4 руб., стоимость скважины 30 руб., характер зависимости амплитуды колебаний от массы заряда Л— характер зависимости амплитуды от числа зарядов (Л — игО^Ь):

бурение дополнительных скважин не вызывает простоя партии; ~

стоимость 1 ч простоя партии 55 руб. при времени бурения одной скважины 40 мин.

Использовать формулы (1V.19), (1V.35), (IV.36).

Глава V

ВОЗБУЖДЕНИЕ СИГНАЛА ПРИ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХРАБОТАХ НА АКВАТОРИЯХ

Начало морских сейсморазведочных работ относится к 30-м годам текущего столетия. До середины 60-х годов для возбуждения сигнала использовался в основном взрыв конденсированных ВВ. При работах методом отраженных волн (МОВ) заряд располагался вблизи дневной поверхности водоема так, чтобы продукты взрыва прорывались в атмосферу в конце расширения. Такое расположение заряда снижало сейсмическую эффективность взрыва, но позволяло избавиться от волн-помех, возникающих при пульсации продуктов взрыва.

Вследствие бурного роста объема морских сейсморазведочных работ уже в начале 60-х годов перед геофизиками встала острая проблема охраны ихтиофауны. В 1968 г. сейсморазведочные работы с применением конденсированных ВВ были запрещены па Каспийском море и ограничены на остальных акваториях страны. В то же время в результате совершенствования аппаратуры и методики наблюдений (одноканальное профилирование МОВ, метод общей глубинной точки) к источнику сигнала стали предъявлять требования, трудно выполнимые при работах с конденсированными ВВ. Одним из них было повторение воздействий через 5—10 с. При ведении взрывных работ в таком темпе беспрерывно в течение многих часов использование конденсированных ВВ, по крайней мере по традиционным схемам, встретило значительные трудности, так как возникла необходимость автоматизации работ.

Как показали специальные исследования, для уменьшения поражающего действия источника сейсмического сигнала на рыбу необходимо значительно снизить давление в ударной волне. Для большинства видов рыб нижняя граница поражающего давления во фронте волны находится в пределах 64-30 кгс/см2. Однако вид формулы для определения безопасных и летальных (смертельных) расстояний

Кб - Кб VG; Кп = Кл VG. (V.1) 166

говорит о том, что действие взрыва определяется не только давлением, но и импульсом волны. Значения коэффициентов Кб и Кл в формуле (У. 1) для некоторых видов рыб приведены в табл. 18.

Таблица 18

Действие взрыва на некоторые виды рыб

Вид рыбы

Коэффициенты

Параметры поражающей ударной волны

Диапазон исследованных масс зарядов, кг

кл

к6

давление, кгс/см2

импульс, кгс«с/м8

Атерина

27

45

6—7

20—24

9—26

Тарань

17

22

12—17

43-55

9—52

Бычок

1,1

5

44—65

282—317

10,4—20,8

Осетровые

11,5

18—22

127-137

10—20

Сазан

7

12

16—24

74—158

2—50

Большое значение имеет крутизна фронта нарастания давле-. ния в волне. Волны с большой длительностью фазы сжатия и плавным нарастанием и спадом давления менее опасны, чем волны той же амплитуды, но с крутым фронтом.

Снизить поражающее действие взрыва на рыб можно и при использовании конденсированных ВВ. Уменьшение величины заряда с 10—15 кг до 50 г за счет усовершенствования технологии работ приводит к соответствующему сокращению зоны поражения. Такой метод ведения взрывных работ реализован во французской системе «Флексотир». Уменьшение величины заряда до 50 г без снижения сейсмической эффективности взрыва возможно как за счет размещения заряда на оптимальной глубине, так и за счет использования многократных перекрытий при работах методом общей глубинной точки.

Объем зоны поражения уменьшается в 1,5—2,0 раза и в случае применения так называемых составных зарядов, позволяющих снизить среднюю скорость детонации. При взрыве таких зарядов в определенных направлениях происходит деформация импульса возбуждаемой ударной волны с уменьшением амплитуды и увеличением продолжительности фазы сжатия. Снизить поражающее действие взрыва можно путем использования взрывчатых веществ с низкими скоростями детонации.

Радикально вопрос решается лишь при снижении плотности энергии, выделяемой в очаге возбуждения сейсмического сигнала, на 2—4 порядка по сравнению с конденсированными ВВ. Этого в первую очередь можно достичь при переходе от конденсированного ВВ к газообразному при использовании выхлопа под водой сжатого воздуха. Напомним, что давление в детонационной волне Pi555 -^ p0D зависит от плотности р0 ВВ, которая при переходе от

конденсированных к газообразным ВВ уменьшается натри порядка. За этими источниками закрепился термин «невзрывные». Максимальное давление в очаге возбуждения, как правило, не превышает 100—150 кгс/см2, а в акустической волне на расстоянии 1м — 10 кгс/см2. Такие источники практически безопасны для ихтиофауны.

Полная энергия, выделяемого при одиночном воздействии «невзрывных» источников обычно не превышает энергию взрыва 100 г тротила, что соответствует примерно 400 кДж на разрядной емкости электрогидравлического разрядника, 40 л газовой взрывчатой смеси пропан—кислород, энергии сжатого воздуха объемом 12 л при давлении 150 кгс/см2.

Требование безопасности источников для ихтиофауны ограничивает амплитуду возбуждаемого ими сигнала (волны давления) в воде, поэтому остальные параметры (такие, как глубина погружения источника, профиль и длительность фазы сжатия волны) должны выбираться из условия сосредоточения максимума энергии сигнала в том диапазоне частот, в котором ведется регистрация сейсмических колебаний. Оптимальная глубина погружения источника соответствует примерно четверти преобладающей длины регистрируемых волн, т. е. для частот 30—45 Гц равна 12—8 м. Но при таких глубинах погружения у большинства типов источников пульсация газовой полости создает волны-помехи и ухудшает разрешенность сейсмической записи.

Подавление пульсации при подводном взрыве

Еще в 1956 г. Р. Кнудсен предложил для подавления пульсации при подводном взрыве конденсированных В В располагать заряд внутри перфорированной сферы или трубы (рис. 77, а). Внутренние размеры перфорированной оболочки превышают максимальный радиус газовой полости, а суммарная площадь отверстий составляет около 30% поверхности оболочки. Ослабление пульсации происходит за счет сопротивления потоку воды при сжатиях газовой полости.

Волна, вызванная детонацией ВВ и первым расширением продуктов взрыва, ослабляется в гораздо меньшей степени, чем повторные волны. Этот способ реализован во французской системе «Флексотир» для зарядов ВВ в 50 г. Он обеспечивает 5—6-кратное подавление амплитуды повторных волн относительно первой.

Как показали исследования, непосредственное использование способа Кнудсена при работах с невзрывными источниками невыгодно, так как при этом наблюдается примерно трехкратное снижение амплитуды первой волны по сравнению с сигналом, возбуждаемым тем же источником без оболочки. Увеличение площади перфорации уменьшает ослабление первой волны, но одновременно ухудшает подавление повторных волн.

Этот недостаток можно в принципе устранить, если расположить источник внутри двух раздвигающихся перфорированных цилиндров, у которых в начальный момент I (рис. 77, б) отверстия во внутреннем и внешнем цилиндрах совпадают. Под действием расходящегося потока воды цилиндры раздвигаются и площадь проходных отверстий уменьшается. Большая площадь проходных отверстий в начальный момент I, когда излучается первая волна, и уменьшение отверстий в момент II при сжатии полости повышают эффективность подавления пульсации. Возможны и другие решения этого вопроса.

Рис. 77. Схема устройств для подавления пульсации по способу Кнудсена- а; 1 — перфорированная сфера; 2 — заряд ВВ; б: 1 — внешний перфорированный цилиндр; 2 — внутренний перфорированный цилиндр; 3 — заряд ВВ или «невзрывной» источник. 7— положение цилиндровая ^начальный момент, II— после расширения полостиРис. 77. Схема устройств для подавления пульсации по способу Кнудсена- а; 1 — перфорированная сфера; 2 — заряд ВВ; б: 1 — внешний перфорированный цилиндр; 2 — внутренний перфорированный цилиндр; 3 — заряд ВВ или «невзрывной» источник. 7— положение цилиндровая ^начальный момент, II— после расширения полости11II22

Рис. 77. Схема устройств для подавления пульсации по способу Кнудсена- а; 1 — перфорированная сфера; 2 — заряд ВВ; б: 1 — внешний перфорированный цилиндр; 2 — внутренний перфорированный цилиндр; 3 — заряд ВВ или «невзрывной» источник. 7— положение цилиндровая ^начальный момент, II— после расширения полости

Рис. 77. Схема устройств для подавления пульсации по способу Кнудсена- а; 1 — перфорированная сфера; 2 — заряд ВВ; б: 1 — внешний перфорированный цилиндр; 2 — внутренний перфорированный цилиндр; 3 — заряд ВВ или «невзрывной» источник. 7— положение цилиндровая ^начальный момент, II— после расширения полости

1

1

I

I

2

2

Основной недостаток способа Кнудсена — большие габариты и масса глушителя. При значительных величинах заряда ВВ или большой энергии у «невзрывных» источников подавление пульсации целесообразно осуществлять путем искусственного повышения давления газов внутри полости в момент ее максимального расширения. Если при этом давление газов внутри полости достигает гидростатического, тогда устраняется причина пульсации — неравенство давлений в воде и газовой полости в момент ее максимального расширения. Для полного выравнивания давлений требуется дополнительная энергия, в 2—3 раза превышающая энергию первого взрыва. Практически в выполнении этого условия нет необходимости, поскольку уже для 5—7-кратного подавления амплитуды повторных волн дополнительная энергия, вводимая н полость, не превысит первоначальную энергию взрыва.

Повышение давления газов в полости достигается путем задержки истечения части продуктов взрыва (сжатого воздуха) или повторным взрывом (выхлопом сжатого воздуха) в момент максимального расширения полости.

На рис. 78,б приведена осциллограмма волны, возбуждаемой выхлопом сжатого воздуха при давлении рн = 120 кгс/см2 из

а

Рис. 78. Схема взрывной камеры УГД (а), осциллограммы сигналов без подавления пульсации (5, г) и с подавлением пульсации (в, д)

камеры объемом 70 = 7 л при размещении камеры на глубине Л=13 м. На осциллограмме видны первые три волны давления, следующие одна за другой с интервалом около 0,1 с. На рис. 78,^ приведена осциллограмма выхлопа из двух близко расположенных и жестко соединенных между собой 7-литровых камер. Выхлоп из второй камеры произведен с задержкой около 0,05 с относительно выхлопа из первой камеры. *

На рис. 78, а показана схема взрывной камеры установки газовой детонации (УГД). Объем камеры разделен перегородкой с отверстием d. Камера заполняется по стрелке А газовой смесью пропан—кислород. Детонация распространяется по газу сверху вниз. Продукты взрыва, находящиеся в нижней камере объемом Г2> свободно расширяясь, возбуждают первую волну и создают газовую полость в жидкости. Продукты взрыва из верхней камеры объемом ¥г истекают (но значительно медленнее) в расширяющуюся газовую полость через отверстие dt затрудняя перерасширение полости и выравнивая в ней давление. На рис. 78, г приведена осциллограмма сигнала камеры без перегородки (/, II, III — первые три волны давления), а на рис. 78, 8 — сигнал от камеры, разделенной перегородкой на два объема при отношении V-JV^ = 3.

Недостаток рассмотренного способа подавления пульсации — затрата значительной дополнительной энергии на повышение давления в полости, в то время как эта энергия могла бы использоваться для возбуждения сигнала.

Наиболее эффективным и целесообразным методом подавления повторных волн является группирование источников с разным периодом пульсации. Синфазное сложение первых волн и несинфазное последующих волн приводит к значительному превышению амплитуды суммарной первой волны над последующими. Группирование 10 источников при соответствующем выборе их параметров позволяет достигать 6—8-кратного превышения амплитуды первой волны над последующими (см. рис. 91).

Направленность излучения и амплитудный спектрсейсмического сигнала

При расположении источника сигнала на глубине Н вслед за прямой волной вертикально вниз с интервалом т, равным времени двойного пробега волны до поверхности воды, распространяется отраженная волна разрежения.

Невзрывные источники, возбуждающие как правило, волну с небольшим максимальным давлением во фронте дают полное отражение сигнала, поэтому при построении теоретической картины явления удобно пользоваться методами оптики и рассматривать излучение двух источников — действительного I и мнимого II. Геометрия этого явления показана на рис. 79, а. Линейные размеры источника значительно меньше длин волн сейсмического диапазона частот, поэтому направленность излучения обусловлена только отражением от поверхности воды.

Диаграммы направленности излучения гармонических составляющих сигнала с равномерной спектральной плотностью в диапазоне 15—100 Гц при разных глубинах погружения источника А приведены на рис. 79, б.

Рис. 79. Отражение сигнала от поверхности воды (а) и диа граммы направленности излучения гармонических составляющих 15, 25, 30, 43, 60, 100 Гц для источника с равномерной спектральной плотностью сигнала при разных глубинах погружения (6)^iРис. 79. Отражение сигнала от поверхности воды (а) и диа граммы направленности излучения гармонических составляющих 15, 25, 30, 43, 60, 100 Гц для источника с равномерной спектральной плотностью сигнала при разных глубинах погружения (6)^iа (со, ф) = sin cos ф)»а (со, ф) = sin cos ф)»(V.2)(V.2)Рис. 80. Амплитудные спектры сигнала, возбуждаемого пневматическим излучателем с объемом камеры 0,5 л при разных глубинах погруженияРис. 80. Амплитудные спектры сигнала, возбуждаемого пневматическим излучателем с объемом камеры 0,5 л при разных глубинах погружения

Рис. 79. Отражение сигнала от поверхности воды (а) и диа граммы направленности излучения гармонических составляющих 15, 25, 30, 43, 60, 100 Гц для источника с равномерной спектральной плотностью сигнала при разных глубинах погружения (6)^i

Рис. 79. Отражение сигнала от поверхности воды (а) и диа граммы направленности излучения гармонических составляющих 15, 25, 30, 43, 60, 100 Гц для источника с равномерной спектральной плотностью сигнала при разных глубинах погружения (6)^i

а (со, ф) = sin cos ф)»

а (со, ф) = sin cos ф)»

(V.2)

(V.2)

Рис. 80. Амплитудные спектры сигнала, возбуждаемого пневматическим излучателем с объемом камеры 0,5 л при разных глубинах погружения

Рис. 80. Амплитудные спектры сигнала, возбуждаемого пневматическим излучателем с объемом камеры 0,5 л при разных глубинах погружения

Направленность излучения двух источников I и II определяется выражением

Где ю = 2л/ — круговая частота; а — скорость звука.

Сигнал, возбуждаемый источниками большинства типов, если не приняты специальные меры для подавления пульсации, состоит из нескольких волн сжатия и разрежения. Когда период пульсации значительно меньше длительности импульсной характеристики приемно-регистрирующей аппаратуры, или, иначе, длительности ее реакции на единичный импульс, то весь цуг волн воспринимается как единый сигнал. Амплитудный спектр такого сигнала имеет максимум спектральной плотности на частоте, соответствующей периоду пульсации. На рис. 80 приведены амплитудные спектры цуга волн, возбуждаемого

пневматическим излучателем с объемом камеры Fo = 0,5 л при разных глубинах погружения.

Если период пульсации превышает длительность импульсной характеристики аппаратуры, то каждая из возбуждаемых при пульсациях волн р(П воспринимается как отдельный сигнал и при частотном анализе должна рассматриваться отдельно. Необходимо только учитывать, что сейсмический сигнал Fm распространяющийся вертикально вниз, состоит из двух волн:

? (О = Р^ — Р^-т^ (V.3)

где рт — волна, возбуждаемая источником; Рц,^—волна, отраженная от поверхности воды; т — время запаздывания отраженной волны.

S(<0) = 2S('M) sin-^S(<0) = 2S('M) sin-^Если амплитудный спектр волны рт известен и равен 5(Ш)? то спектр сейсмического сигнала Fm

S(<0) = 2S('M) sin-^

S(<0) = 2S('M) sin-^

(V.4)

Следовательно, даже в том случае, если амплитудный спектр исходного сигнала рт равномерен в широком диапазоне частот, все равно в результате влияния отражающей поверхности на частотах к]2%, где к = 0,1,2, . . ., п, появятся максимумы при нечетных к и минимумы — при четных. В связи с этим амплитудный спектр имеет вид лепестков одинаковой ширины: А/ = 1/т. Путем соответствующего выбора т = 2h]a или глубины погружения h можно всегда сдвинуть максимум первого лепестка в середину рабочего диапазона частот.

На рис. 81 приведены амплитудные спектры: 1 — исходного импульса рт от взрыва сферического газового заряда, у которого профиль волны соответствует экспоненте с постоянной времени 6 = 0,0025 с; 2—13 — спектры сейсмического сигнала рт— Рц-^ при изменении глубины погружения h от 1 до 24 м, построенные в предположении полного отражения волны от поверхности воды. Для упрощения картины на графики нанесены только первые лепестки амплитудных спектров.

Оптимальная глубина погружения источника при необходимости сосредоточения энергия сигнала в диапазоне частот /г— /2 в первом приближении должна определяться как

й0Пт " д/2 (/1 + /2)» (^ -5) где а — скорость звука в воде.

Так, например, при регистрации отраженных волн в диапазоне 30—60 Гц оптимальная глубина погружения источника составит 8,5 м, при работе в диапазоне 200—400 Гц — 1,3 м.

Рассмотрим влияние профиля волны и длительности фазы сжатия на спектральные характеристики сейсмического сигнала. 174

Спад давления за фронтом первой волны у большинства источников близок к экспоненциальному. Только у пневматического излучателя форма первой волны может сильно отличаться от экспоненциальной, приближаясь при определенных параметрах

Рис. 81. Амплитудные спектры и форма сейсмического сигнала при разных глубинах погружения источникаРис. 81. Амплитудные спектры и форма сейсмического сигнала при разных глубинах погружения источника

Рис. 81. Амплитудные спектры и форма сейсмического сигнала при разных глубинах погружения источника

Рис. 81. Амплитудные спектры и форма сейсмического сигнала при разных глубинах погружения источника

конструкции излучателя к синусоидальной. Отражение волны от поверхности воды, независимо от формы первой волны, обуславливает положение максимума спектральной плотности за

счет множителямума зависит отсчет множителямума зависит отsin ^ [см. формулу (V. 4)]. Величина максиформы и длительности фазы сжатияЪервой волны.

счет множителя

мума зависит от

счет множителя

мума зависит от

Переход от экспоненциального импульса к синусоидальному с периодом 2л9 при сохранении акустической энергии волны

J Ри) At постоянной увеличивает значение максимума спектральной плотности на 25%. Изменение длительности фазы сжатия при сохранении акустической энергии волны в более широких пределах изменяет амплитуду первого «лепестка» спектральной плотности. Его максимальное значение достигается в том случае, когда длительность фазы сжатия равна времени запаздывания отраженной волны.

|] Для определения оптимальной величины постоянной времени экспоненциального импульса 9 с точки зрения сосредоточения энергии в рабочей полосе частот рассмотрим энергетический спектр

Рис. 82. Распределение. энергии экспоненциального импульса по различным полосам частотыРис. 82. Распределение. энергии экспоненциального импульса по различным полосам частоты

Рис. 82. Распределение. энергии экспоненциального импульса по различным полосам частоты

Рис. 82. Распределение. энергии экспоненциального импульса по различным полосам частоты

экспоненциального импульса р — рг ехр (—2/9), который определяется выражением

(V.6)(V.6)2_ pi

(V.6)

(V.6)

9°)l/92_p(o2 •

Доля энергии п экспоненциального импульса, содержащаяся в полосе частот (ох 4" (о2, определяется выражением

(01(01<У2

(01

(01

и = -^= — (arctg 0ю2— arctg 0со arctg От,) (V.7) f 5(2б» dto

о

и^для некоторых диапазонов частот иллюстрируется графиками рис. 82.

Приравняв производную выражения (V. 7) нулю и решая уравнение относительно 9, определим оптимальное значение постоянной времени экспоненциального импульса для диапазона частот (о1 со2:

(V.8)(V.8)9опт 1/j/"03-^02)2 — 1/2л j/"Д^2 •

(V.8)

(V.8)

Оптимальная длительность сигнала, так же как и глубина погружения источника, зависит от диапазона частот, в котором ведется наблюдение сейсмических сигналов.

Для частот 304-60 Гц оптимальная величина постоянной времени экспоненциального импульса 9 =0,0038 с, а для диапазона частот 200 4-400 Гц 9 = 0,00056 с. Этим требованиям, особенно в диапазоне частот до 100 Гц, наиболее полно удовлетворяют сигналы, возбуждаемые невзрывными источниками. Напомним, что согласно формуле (III. 26) для достижения постоянной времени ударной волны 9 — 0,0038 с необходим заряд тротила в несколько тонн.

Группирование источников сейсмических сигналов

Целесообразность группирования источников определяется в первую очередь тремя факторами: 1) ослаблением помех от пульсации газового пузыря при группировании камер с разным периодом пульсации; 2) возможностью формирования сейсмического сигнала с равномерной спектральной плотностью в широком диапазоне частот; 3) направленностью излучения.

Для достижения максимального подавления повторных волн период пульсации должен изменяться от источника к источнику или от одной подгруппы идентичных источников к другой так, чтобы повторные волны находились в противофазе относительно друг друга. Этого можно достичь путем размещения источников с одинаковой энергией на разных глубинах или путем примерно двухкратного изменения энергии источника.

При размещении источников на одной глубине амплитудный спектр сейсмического сигнала имеет ряд «лепестков», ширина которых и положение максимумов зависят только от глубины погружения. Расширить диапазон частот, в котором спектральная плотность сейсмического сигнала будет достаточно равномерной, можно только при группировании источников, расположенных на разных глубинах.

Направленность излучения группы из п излучателей, размещенных на одной глубине Н с шагом I, определяется для гармонической составляющей со с учетом отражения от поверхности воды следующим выражением:

Sin (Sin ф I Sin ( COS ф )

aM •(V.9)

На рис. 83 приведены диаграммы направленности группы из 3 идентичных источников в предположении, что амплитудный спектр одиночного источника равномерен в диапазоне 15—100 Гц. Направленность излучения начинает заметно проявляться, когда

Рис. 83. Диаграммы направленности излучения гармонических составля положенных горизонтально

ющих 15, 25, 30, 43, 60, 100 Гц для сигнала от группы из 3 источников, расс шагом I на глубине h

база группирования становится соизмеримой с длиной волны или больше длины волны.

Концентрация энергии сигнала в вертикальном направлении ведет к тому, что рост амплитуды сейсмического сигнала при группировании оказывается сильнее, чем при непосредственном увеличении одиночного источника. Так, например, если вместо одного источника использовать группу из 8 источников с сохранением общей величины выделяемой энергии, то максимальная амплитуда сигнала может увеличиться в оптимальном случае в 4 раза при одновременном сокращении длительности фазы сжатия первой волны в 2 раза. Это обусловлено тем, что амплитуда и длительность волны сжатия пропорциональны корню кубическому из энергии, а сложение амплитуд сигналов при группировании линейно. Смещение спектра сигнала в область более высоких частот за счет уменьшения длительности фазы сжатия при дальнейшем уменьшении энергии источника в конечном счете начнет уменьшать долю энергии сигнала, приходящуюся на рабочий диапазон частот.

Источники сейсмического сигнала

При сейсмических исследованиях пользуются широким диапазоном частот — от нескольких герц до нескольких килогерц. Низкочастотный диапазон от 3 до 15 Гц используется при прослеживании преломленных волн и глубинном сейсмическом зондировании, что связано с их меньшим затуханием при прохождении среды. На частотах 20—100 Гц ведут работы методом отраженных волн при изучении разрезов до глубин в несколько километров. Высокочастотный диапазон до 1000 Гц и более используется для детального исследования верхней части разрезов методом отраженных волн.

На первых этапах развития морских сейсморазведочных работ конденсированные ВВ были универсальным средством возбуждения сигнала в низкочастотном и среднем диапазоне частот и только в высокочастотных диапазонах применялись магнитострикционные, индукционные и пьезоэлектрические излучатели. Отказ от конденсированных ВВ по соображениям безопасности для живых организмов водоемов, а также в связи с повышением темпа взрывных работ привел к появлению новых источников сейсмического сигнала для акваторий. За рубежом получили широкое распространение j с i очники, использующие взрыв газовых смесей, выхлоп сжатого воздуха, электрогидравлический разряд, применяются источники, основанные на схлопывании вакуумной полости, которая образуется либо при резком раздвижении пластин, либо при выхлопе перегретого пара, и некоторые другие. Используются также взрыв конденсированного ВВ в виде линейного заряда (детонирующего шнура) и сосредоточенные заряды в 50 г (во французской системе «Флексотир»).

В настоящее время нет универсального источника сигнала, который обладал бы преимуществом перед всеми остальными. Выбор типа источника определяется практически рабочим диапазоном частот, методикой наблюдений, безопасностью применения для ихтиофауны, возможностью его размещения на плавающих средствах, автономностью использования, экономичностью применения, а также рядом других факторов. Все сказанное следует

б

Рис. 84. Схемы установки газовой детонации (УГД) (а) и буксировки взрывной камеры (б), а: 1 — редукторы, 2 — образцовые манометры, 3 — электромагнитные вентили, 4 — обратные клапаны, 5 — узел поджигания с искровой свечой; б; I — буксирный трос, 2 — шланг, подающий газовую смесь во взрывную камеру, 3 — поплавок, 4 — взрывная камера

рассматривать на фоне задач, решаемых при помощи источника, и именно это обстоятельство имеет первостепенное значение при выборе его типа для выполнения практических работ.

Перейдем к непосредственному рассмотрению конкретных источников.

Заряды конденсированных ВВ. Применение таких зарядов при морских сейсморазведочных работах ограничено. Остановимся на французской системе «Флексотир», использующей заряды массой 50 г.

Заряд в пластмассовой оболочке подается потоком воды по гибкому шлангу в центр перфорированной стальной сферы

181

$250$250$80$80диаметром 65 см. Диаметр отверстий в сфере около 5 см, число отверстий 130, толщина оболочки 5 см, масса 360 кг. Сфера буксируется за судном на глубине до 12—15 м. При взрыве заряда в центре сферы пульсация подавляется. Обычно применяют группу из 2 источников. За счет размещения источников на оптимальной глубине, а также благодаря применению многократных перекрытий при работах методом общей глубинной точки достигается эквивалент обычного заряда ВВ массой до 15 кг при размещении его вблизи поверхности воды.

$250

$250

$80

$80

//Ф360Ф360т-Ф/ООО- ат-Ф/ООО- аВысокой эффективностью обладают также линейные заряды, состоящие из детонирующего шнура. Шнур буксируется за судном на глубине примерно Юми подрывается электродетонатором. Разработанная в США система «Аква- сейс» использует детонирующий шнур с содержанием 21 г ВВ на 1 м и скоростью детонации 6,5— 7,0 км/с. По сейсмическому эффекту взрыв шнура длиной 30 м при массе ВВ около 600 г на 10 м эквивалентен взрыву 20 кг ВВ на малой глубине.

/

/

Ф360

Ф360

т-Ф/ООО- а

т-Ф/ООО- а

Установка газовой детонации. Рассмотрим два отечественных

ОО0,14 t,c0,14 t,c°.°5 о?б°.°5 о?бИ

О

О

0,14 t,c

0,14 t,c

°.°5 о?

б

°.°5 о?

б

Рис. 85. Схема конструкции взрывной камеры УГД с пода-влением пульсации (а) и осциллограмма сигнала (б).а: I — корпус взрывной камеры, 2 — пластина, 8 — пружина;б: I — первая волна, II — ослабленная вторая волна

смеси В0Д0-смеси В0Д0-суднесудневарианта установки. Первый основан на взрыве газовой пропан—кислород (УГД), второй — на использовании родно-кислородной смеси. В первом случае запас газов на хранится в баллонах, во втором газовая смесь вырабатывается путем электролиза воды.

смеси В0Д0-

смеси В0Д0-

судне

судне

Газовая схема УГД приведена на рис. 84. Газы из баллонов через редукторы, электромагнитные вентили, обратные клапаны, 182

узел поджигания поступают по шлангам или трубопроводу во взрывную камеру (ВК), буксируемую за судном или опущенную в воду на кронштейнах с борта судна. Смесь поджигается искровой свечой. Горение в шланге на коротком участке переходит в детонацию и передается по шлангу или трубопроводу в объем ВК. Система клапанов и разъемов обеспечивает безопасность работ с установкой. Для предотвращения распространения горения и детонации в обратном направлении шланги, отмеченные на рис. 84 пунктирной линией, заполняются перед взрывом газом, по которому горение не распространяется.

Простейшая конструкция взрывной камеры — стальная труба, открытая снизу (см. рис. 84). Она надежна в работе, однако возбуждаемый сигнал состоит из нескольких волн давления. Кроме того, при буксировке первая волна ослабляется, так как поток воды отсасывает часть газа из камеры. Последнее устраняется, если выходное отверстие камеры закрыто подвижной пластиной (рис. 85). Когда пластина имеет площадь в 6—12 раз больше площади выходного отверстия из ВК и ее свободный -ход составляет не менее 1/2 диаметра выходного отверстия, длительность фазы сжатия первой волны практически не меняется, а амплитуда сигнала возрастает примерно на 25% по сравнению с амплитудой у открытой камеры. Для подавления пульсации камера разделена диафрагмой на два объема—^ и У2.

Если вместо открытой снизу стальной цилиндрической взрывной камеры с отношением длины к диаметру 5 : 1 использовать сферическую резиновую оболочку, то амплитуда первой волны при взрыве несколько возрастет. Еще больший рост амплитуды первой волны наблюдается при переходе к удлиненным цилиндрическим зарядам в резиновой оболочке. В табл. 19 приведены экспериментальные параметры первой волны при взрыве смеси пропан — кислород, на глубине 10 м в различных взрывных камерах.

Наиболее высокой эффективностью обладают длинные цилиндрические заряды в эластичной оболочке. Это обусловлено как увеличением активной излучающей поверхности источника, так и направленностью излучения. При удлинении заряда с сохранением объема газовой смеси одновременно с увеличением амплитуды волны происходит сокращение длительности фазы сжатия и, как следствие, смещение энергии сигнала в область более высоких частот. Так, например, при переходе от взрыва в сферической резиновой оболочке объемом 3,3 л (см. табл. 19) к резиновой трубе L = 6,5 м, d=25 мм длительность фазы сжатия первой волны сокращается с 6,5 мс до 1,5 мс, максимум спектральной плотности при соответствующей глубине погружения смещается с 40—120 Гц до 150—450 Гц.

При взрыве 1 л газовой смеси с начальным давлением 1 кгс/см2 и температурой 20° С с учетом диссоциации продуктов взрыва выделяется энергия 2,06 ккал у стехиометрической смеси

Таблица 19

Параметры сигналов невзрывных источников

Тип взрывной камеры (L-длина, d-диаметр)

S о § 3 а £™3 £ S а о S h О К

” § ^ в i

О th

О « д И К я о $ _ е« л и я 2 о з пк 5

СС уйДЙХ

g СSщ3и

s ф9 gah

v ®5К

5 м-ом-

лf В

1

5 о

л 3

s 3 щ

Q

о .В

Стальная открытая труба (L = = 500 мм, d = 100 мм)

3,8

3,2

0,004

1,5

Стальная труба, открытая снизу № = 310 мм, d = 100 мм)

2,4

2,7,

0,003

1,8

Резиновая труба (Л = 700 мм, d = = 63 мм)

2,2

4,9

0,0025

2,6

Резиновая труба (Л = 800 мм, d = = 70 мм)

3,1

5,7

0,003

3,5

Резиновая труба (Л = 6500 мм, d = = 25 мм)

3,5

13,5

0,0015

13,0

Резиновая труба (Л = 1200 мм, d = 12 мм)

1,8

13,0

0,001

13,0

Сферическая резиновая оболочка (d = 185 мм)

3,3

3,2

0,0065

1,6

пропан—кислород и 1,12 ккал у водородо-кислородной смёси. При взрыве последней расширяющаяся полость заполнена только парами воды. Их конденсация при перерасширении и последующем сжатии полости приводит к возникновению интенсивной второй волны, превышающей первую. Длительность фазы сжатия второй волны при зтом сокращается, а спектр смещается в область высоких частот. Характер возбуждаемого сигнала близок по форме к сигналу злектрогидравлического разряда (см. рис. 47).

При использовании смеси пропана с кислородом 20 кислородных и 1 пропанового баллона достаточно для проведения — 5000— 6000 взрывов при расходе 20 л смеси на один взрыв, что эквивалентно взрыву заряда тротила массой 50 г. Если взрывы проводятся с интервалом 50 м (примерно 20 с), то указанного запаса баллонов хватит на 300 км профиля. При работах с водороднокислородной смесью аналогичные мощность воздействия и производительность работ достигаются при потреблении электро- 184

лизером в течение всего времени работы мощности порядка 15 кВт.

Рассмотрим кратко применяемые за рубежом источники сигналов, использующие взрыв газовых смесей. К ним относятся морской вариант установки «Диносейс», «Аквапульс», «Флексоган» и GASSP. Первые три используют стехиометрическую смесь пропана с кислородом, а последняя — смесь ацетилена с кислородом. Морской вариант установки «Диносейс» по конструкции взрывной камеры практически не отличается от сухопутного варианта. Камера погружается в воду и возбуждает волну сжатия при резком увеличении объема камеры после взрыва газовой смеси. Вслед за первой волной излучается еще несколько импульсов, вызванных последующими колебаниями объема камеры с продуктами взрыва. При диаметре взрывной камеры 600 мм ее масса 600 кг, а энергия взрыва — 12 ккал. При диаметре взрывной камеры 1450 мм масса установки составляет 2800 кг. Установка достаточно громоздка и сложна.

Установка «Аквапульс» представляет собой цилиндрическую решетчатую камеру, заключенную в резиновый рукав диаметром 28 см. Длина всего устройства 2,1 м, масса около 100 кг. Газы пропан и кислород хранятся в жидком виде на верхней палубе судна. Смешение газов производится в трубопроводе внутри камеры. Смесь поступает в камеру и поджигается электрической искрой. Высокая живучесть резиновой оболочки — до 104 срабатываний достигается за счет малой величины начального давления газовой смеси перед взрывом. При максимальном расширении резиновой оболочки ее диаметр увеличивается в 1,3 раза относительно

номинального. Продукты взрыва выбрасываются через клапан и трубопровод в атмосферу. Конструкция источника позволяет в 4 раза уменьшить амплитуду повторных волн по сравнению с первым импульсом. Обычно используется группа из четырех одновременно срабатывающих устройств при глубине их погружения порядка 10 м, что по сейсмическому эффекту эквивалентно взрыву до 40 кг В В на малой глубине.

В устройстве «Флексоган» используется взрывная камера, заполняемая смесью пропана с кислородом под давлением 3 кгс/см2. Выхлопные отверстия из камеры закрыты подпружиненным поршнем. Смесь поджигается над поверхностью и передается в объем камеры по шлангу. При этом давление в камере повышается до 87 кгс/см2. Под его действием поршень открывает выхлопные отверстия, и продукты взрыва вырываются наружу. Форма

возбуждаемого при этом сигнала такая же, как у пневматического излучателя. «Флексоган» применяется в основном в болотистых местностях и мелких заливах. Для погружения источника на нужную глубину применяется водоструйная установка.

Устройство GASSP (США) представляет собой линейный источник, состоящий из нескольких (до 10) неопреновых трубок специальной формы (рис. 86). Длина каждой трубки около 6 м, диаметр центральной камеры 18 мм. Трубки заполняются смесью ацетилена с кислородом. Каждая трубка подрывается от отдельной свечи. После взрыва давление в газовой смеси повышается до 20 кгс/см2, а внутренний объем трубок увеличивается к моменту максимального расширения продуктов взрыва почти в 30 раз. Энергия взрыва в 10 трубках соответствует энергии взрыва 300 г тротила. Однако работы с ацетиленом на корабле с точки зрения техники безопасности значительно сложнее работ с пропаном, и это стоит иметь в виду при выборе источника.

Пневматические излучатели (ПИ). При работах с ПИ на Судне устанавливаются воздушные компрессоры высокого давления.

а -б

Рис. 87 Камера пневматического излучателя ПИ1Б.

Положение поршня перед выхлопом (а) и во время выхлопа (5)

Достаточно широкое применение нашли дизельные компрессоры ДК-2 и ДК-10 производительностью 12 и 24 л/мин воздуха, сжатого до 150 кгс/см2. Сжатый воздух по гибким рукавам подается в камеру излучателя, буксируемую за судном на глубине до 15 м на расстоянии несколько десятков метров за кормой судна.

По электрическому сигналу от сейсмической регистрирующей аппаратуры в камере ПИ резко открывается выхлопное отверстие, и сжатый воздух выпускается в воду. Расширение сжатого воздуха и последующая пульсация газовой полости приводят к возбуждению нескольких волн давления.

Рассмотрим принципиальную схему пневматического излучателя ПИ1Б (рис. 87). Камера состоит из корпуса 1, поршня 2, 186

электропневмоклапана 3, уплотнительных колец 4 и 5. Сжатый воздух (стрелка Л) поступает в камеру, заполняет канал 7 и опускает поршень в крайнее нижнее положение. При этом через систему отверстий в поршне сжатый воздух поступает в основной объем камеры 8. При подаче электропитания на клапан 3 сжатый воздух по стрелке Б перебрасывается из объема 8 в объем 9 под плечико поршня 2 и сдвигает его вверх до пересечения отверстиями d уплотнительного кольца 5. В дальнейшем в объем 9 поступает сжатый воздух через отверстия d, и поршень резко сдвигается вверх, открывая при этом с большой скоростью выхлопное отверстие из основного объема. Воздух, сжимаемый в объеме 6, плавно останавливает поршень, и после выхлопа воздуха из основного объема возвращает его в исходное положение. Оставшийся

избыточный воздух из объемов 6 и 9 сбрасывается клапаном 3 в окружающую среду.

В комплект излучателя ПИ1Б входят 8 пневмокамер (4 объемом 7 л и 4 объемом 3 л) и 3-канальный пульт управления, позволяющий работать группой до 3 камер. При подаче сигнала от сейсмостанции (замыкание контактов) пульт управления разряжает конденсатор емкостью 1000 мкф при напряжении 300 В на катушку клапана#, управляющего моментом срабатывания камеры. Длительность задержки срабатывания камеры 30 мс, разброс задержки срабатывания ± 1 мс. Воздействие одной 7-литровой камеры при давлении сжатого воздуха 120 кгс/см2 эквивалентно взрыву 75—100 г тротила при той же глубине погружения. Общий вид камеры объемом 7 л излучателя ПИ1Б показан на рис. 88.

Рассмотрим конструкцию

группового пневматического из- Рис- 88. Камера ПШБ объемом 7 л лучателя ПИ1В (рис. 89). Каме

ры объемом от 5 до 0,25 л (всего

10 шт общим объемом 11,25 л) расположены гирляндой на рукаве подачи сжатого воздуха и буксируются за судном на глубине 5— 15 м. Головная камера имеет стабилизирующее оперение и определяет глубину погружения всей гирлянды камер при буксировке.

КомпрессорКомпрессорРпс. 89. Блок-схемаРпс. 89. Блок-схемагруппового пневматического излучателя ПИ1Вгруппового пневматического излучателя ПИ1ВРис. 91. Сигналы одиночных камер (а) и группового излучателя (б) ПИ1В при глубине погружения 8 м.Рис. 91. Сигналы одиночных камер (а) и группового излучателя (б) ПИ1В при глубине погружения 8 м.3 шт. по 0,5 л, 2 шт. по 1 л, 1 шт. в 2 л, 1 шт. в 5 л

Компрессор

Компрессор

Рпс. 89. Блок-схема

Рпс. 89. Блок-схема

группового пневматического излучателя ПИ1В

группового пневматического излучателя ПИ1В

Рис. 91. Сигналы одиночных камер (а) и группового излучателя (б) ПИ1В при глубине погружения 8 м.

Рис. 91. Сигналы одиночных камер (а) и группового излучателя (б) ПИ1В при глубине погружения 8 м.

Рис. 90. Камера пневматического излучателя ПИ1В.

I — ход поршня; б — магнитный зазор. 1 — камера; 2 — поршень; з — клапан; 4 — якорь;

5 — пружина; в — магнит; 7 — резиновое кольцо; 8 — прокладка; 9, 12, 18 — уплотнительные кольца; 10 — штуцер; II — выхлопные отверстия

В камере ПИ1В сжатый воздух по стрелке А (рис. 90) поступает под плечико поршня d4—d^ и прижимает поршень 2 к прокладке 8 и клапану 3. После этого через канал da сжатый воздух поступает во внутренней объем камеры и поршня. При подаче напряжения на магнит 6 якорь 4 отрывает клапан 3 от седла на торцевой поверхности поршня. Сжатый воздух сначала через отверстие d4, а затем и через d6 поступает в объем над поршнем и выдвигает нижнюю часть поршня с выхлопными отверстиями 11 из корпуса 1 камеры. После выхлопа под действием давления на плечико поршня dA—d2 последний возвращается в исходное положение, а избыточное давление из объема над поршнем сбрасывается через канал ds, отжимая резиновое кольцо 7. Задержка выхлопа из камеры после получения сигнала на срабатывание составляет 8 мс, а разброс задержки срабатывания ±0,5 мс. Излучатель ПИ1В за счет группирования камер разного объема позволяет получить 6—8-кратное превышение амплитуды первой волны над последующими. На рис. 91 приведены сигналы одиночных камер и всей группы излучателя ПИ1В.

Детальное описание работы двух конкретных камер сделано для того, чтобы можно было составить полное представление об элементах их конструкции. При сейсморазведочных работах используются пневматические излучатели и с камерами других конструкций.

За рубежом широкое распространение получил пневматический излучатель РАВ фирмы Болт США. Камеры излучателя РАВ имеют объем от 0,016 до 33 л. Как правило, используется группа 10 и более одновременно срабатывающих камер. Модификация излучателя, получившая наименование «Сейсмоджет», имеет камеру объемом до 15 л. С целью подавления пульсации камера разделена диафрагмой с небольшим отверстием на два объема.

Пневматический излучатель используется также в устройстве «Симплон», состоящем из пневмокамеры, к которой присоединен цилиндр, содержащий поршень. Выхлоп сжатого воздуха приводит в движение поршень, выталкивающий водяную «пробку» из цилиндра. Это устройство позволяет устранить пульсацию газовой полости.

Электроискровые источники. Принцип действия этого типа источника — электрический разряд в воде. Батарея конденсаторов высокого напряжения разряжается на электроды, буксируемые за судном. Электроискровые разрядники входят в комплект звукового геолокатора ЗГЛ-З (энергия 0,6—22 кДж) и регистратора дискретного действия РДД (10 кДж). Выпускаемый отдельно от регистрирующей аппаратуры электроискровой разрядник «Волна» имеет энергию на батарее кондесаторов до 400 кДж.

Электроискровые источники — спаркеры получили широкое распространение при работах в высокочастотном сейсмическом

диапазоне. Применять их предпочтительнее в диапазоне 50—100 Гц и выше. За рубежом группирование спаркеров SSP с общей энергией до 200 кДж конкурирует с установками, использующими газовый взрыв. Акустический коэффициент полезного действия электрического разряда в воде повышается в несколько раз, если межэлектродный промежуток перед разрядом соединяется тонкой проволокой, которая, испаряясь при разряде, создает плазменный канал в воде. Этот эффект используется в разряднике WASSP. Между электродами разрядника постоянно подается тонкая проволока, замыкающая зазор длиной 5—8 см.

При этом одновременно с увеличением акустического к. и. д. происходит смещение спектра в область более низких частот. Если оптимальный диапазон частот для спаркера с энергией 120 кДж (группа 4 X 30 кДж) находится в пределах 50—90 Гц, то для источника WASSP при прочих равных условиях он смещается на частоты 35—70 Гц.

Механические источники. Эти источники используют для возбуждения сигнала резкое перемещение мембраны. При этом в воде, как правило, возникают две волны. Первая вызвана непосредственно перемещением пластины, а вторая схлопыванием вакуумной полости, образовавшейся в результате движения пластины.

Примером такого источника служит индукционный излучатель — бумер. Он состоит из плоской катушки и толстой мембраны из алюминия, отделенной от торца катушки тонким слоем изоляции. При разрядке батареи конденсаторов на обмотку катушки в мембране наводятся токи Фуко. Взаимодействие магнитного поля катушки и мембраны, вокруг которой возникает магнитное поле, порожденное вихревыми токами Фуко, приводит к появлению сил, отталкивающих мембрану от катушки. В результате движения мембраны в воде распространяется первая волна давления. При энергии разрядной емкости до 24 кДж длительность фазы сжатия не превышает 1 мс. Через несколько миллисекунд после первой волны излучается вторая волна, вызванная схлопыванием вакуумной полости, образовавшейся в результате движения пластины.

Механический источник, получивший название «Гидросейн», в отличие от бумера использует в качестве полезного сигнала не первоначальное движение пластины, а последующее схлопывание вакуумной полости. Установка «Гидросейн» приводится в действие компрессором и масляным насосом. Под действием давления сжатого воздуха на поршень и шток металлические пластины раздвигаются за 40 мс на расстояние около 30 см. При этом между пластинами образуется вакуумная полость, схлопывание которой вызывает возбуждение интенсивной волны давления. Длительность фазы сжатия этой волны составляет около 1 мс. Вся установка весит около 4 т и спускается с кормы судна на глубину до 15 м. По сейсмической эффективности «Гидросейн» сравним с установками, использующими' газовый взрыв.

Аналогичную форму возбуждаемого сигнала и сейсмическую эффективность имеет установка, получившая название «Фапор- чок». Здесь для получения вакуумной полости используется выхлоп в воду пара при давлении 250 кгс/см2 и температуре 400° С.

В морском варианте системы «Вибросейс» используются электро- гидравлические вибраторы. Частота колебаний вибратора управляется сигналом от регистрирующего устройства. Длительность 1 посылки 7 с, а частота колебаний изменяется плавно от 10 до 50 Гц. Масса одного вибратора около 600 кг. Обычно используются 4 синхронно работающих вибратора, погруженных на глубину 12 м.

Глава VI

ТЕХНИКА ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОЙРАЗВЕДКЕ

Виды сейсморазведочных работ

Цель взрыва при сейсмической разведке — создание упругих импульсов. Изучая распространение сигналов, связанных с упругими волнами, которые расходятся от очага взрыва, с какой-то степенью приближения получают представление о геологическом строении исследуемого участка. Масса заряда может варьировать от 1 г (детонатор) до нескольких тысяч тонн ВВ.

Возможность изменять условия наблюдений, величину возбуждаемого упругого импульса и точку его приложения делают сейсморазведку наиболее активным методом геофизической разведки, позволяя применять ее для решения очень широкого круга геологических задач — от задач инженерной геологии и до изучения подкоровых границ раздела на глубинах в несколько десятков километров. Активность сейсморазведочного метода обусловлена также возможностью использования двух и более типов волн, возникающих при взрыве. Различают несколько методов и модификаций сейсмической разведки, число которых продолжает увеличиваться.

Успех сейсмической разведки во многом зависит от того, насколько волны-помехи будут ослаблены при самом возникновении упругого импульса. Накопленный опыт позволяет в большинстве случаев заранее определить, как надо вести взрывные работы, чтобы доля энергии взрыва, пошедшая на возбуждение нежелательных типов волн, была наименьшей. Очевидно также, что следует стремиться решить задачу при минимальном расходе ВВ, что может быть достигнуто за счет выбора технических приемов разведки, аппаратуры, расположения сети профилей и правильного сочетания всех этих факторов.

Как известно, амплитуда и частотный спектр регистрируемого сигнала зависят от величины заряда, глубины его заложения, окружающей среды и забойки. Экспериментально установлено, что при возбуждении продольных волн доля полезной энергии 192

бывает наибольшей, если взрыв произведен в глинистой толще ниже уровня грунтовых вод при наличии над зарядом нескольких метров забойки из воды или глинистого раствора. Почти одинаковые результаты дают взрывы в водонасыщенных породах на несколько метров ниже уровня грунтовых вод. В указанных условиях нужный эффект достигается при минимальных зарядах. При взрывах в иных условиях для получения сходных сигналов потребуются заряды большей массы.

Чтобы создать оптимальные условия для заложения заряда, требуется подготовить горную выработку, чаще всего буровую скважину. Необходимо учитывать, что буровые станки, находящиеся в распоряжении сейсморазведочных партий, рассчитаны на бурение неглубоких скважин в мягких породах или мелком галечнике. При большой глубине залегания уровня грунтовых вод или наличия над ним даже тонких прослоев твердых пород, а также валунного или крупногалечникового материала этих пород скорость бурения резко снижается и стоимость буровых работ повышается настолько, что экономически целесообразнее бывает увеличить расход ВВ, отказавшись от бурения.

Условия возбуждения упругих колебаний редко сохраняются неизменными в пределах сколько-нибудь значительной площади, и персоналу сейсморазведочной партии необходимо маневрировать имеющимися в его распоряжении техническими средствами, чтобы обеспечить экономически оптимальное решение возбуждения необходимых сейсмических сигналов.

Возбудить взрывом упругие волны для сейсморазведки можно при помещении одиночных или групповых зарядов в воздухе, на поверхности земли, в неглубоких выработках, в водоемах, в буровых скважинах. К групповым взрывам прибегают не только из-за технических трудностей помещения большого одиночного заряда в оптимальные условия для данного типа взрывов (высота подвеса или, наоборот, глубина погружения в одиночную скважину), но и для подавления отдельных типов волн-помех, создания эффекта направленности взрыва.

Некоторые модификации сейсмической разведки не допускают применения любого из перечисленных выше условий возбуждения. Например, при осуществлении просвечивания с целью нахождения контура нефтяной залежи взрывы производятся в глубоких скважинах на глубине нескольких километров. В этих условиях возможность группирования взрывов исключена. В качестве другого примера можно привести вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП). При шаге исследования порядка 10 м, даже при использовании зонда из нескольких скважинных сейсмоприемников, необходимо провести десятки взрывов, обеспечивая неизменные условия возбуждения. Это достигается взрывами одиночных зарядов в скважинах в пределах небольшой площади.

В табл. 20 охарактеризованы условия взрыва, наиболее типичные для каждого вида сейсморазведочных работ. В нее не

включены линейные заряды из детонирующего шнура, которые применяются при разведке МОВ как на продольных, так и на поперечных волнах (способы, связанные с созданием плоской волны), поскольку возможности зтого вида работ при разведке другими сейсмическими методами полностью не установлены,

Таблица 20

Условия взрыва при различных сейсморазведочных работах

Воздух

Неглубокая выработка

Водоем

Скважина

Сейсмические методы

Г О д

«з£

Ой Д

63

§3

а

а 3 со я я

о д

Дз£

О и я

о 3

И 0

аЗ а Я Я

t

О д

й

нЗ£

О И д

о 3 И д И в

а ал п а я я

5 я

ti 3 О И я

6 -= и 2

аз

Методотраженных

волн (МОВ) . . . .

Метод регулируемого направленного приема (МРНП)

Метод общей глубинной точки (МОГТ) Метод плоского фронта (МПФ)

Метод управляемого плоского фронта (МУПФ) Метод регулируемого управления фронтами волн (МРУФ) . . . Сейсмический каротаж (СК)

Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) Метод обращенного годографа (МОГ) . . . Микросейсмокаротаж (МСК)

Метод просвечивания Метод преломленных волн (МПВ) , . . . Метод преломленных волн для изучения верхней части разреза (ЗМС, ВЧР) . . . . Методпоперечных

волн

Да

Как ис чен

Нет

»

»

»

»

»

»

» ' »

Да

Нет

»

Да

клю- ие

Нет

»

»

»

>

»

»

»

Да

Нет

»

Да

»

»

»

»

»

» Нет

Да

»

Да

»

»

»

»

Нет

»

Да

Нет

Да

Да

Как и чен

То

Нет

»

Как исключение

Нет

» »

Да

Нет

»

Да

склю- ие

же

Нет

»

»

»

»

»

»

Да

Нет

»

Да »

»

Нет

Да »

»

»

»

Нет

» »

Да

Нет

Да

Для некоторых методов условия взрыва не являются критическими, что позволяет даже в пределах одного профиля осуществлять взрывы в различных условиях.

При определении зоны малых скоростей (ЗМС), которая имеет небольшую мощность, выполняют короткие профили преломленных волн длиной от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Взрывы производят у поверхности, чтобы получить информацию о всех слоях, включая приповерхностные.

При изучении верхней части разреза (ВЧР) исследуют более мощную пачку — до среды с постоянной (высокой) скоростью распространения упругих волн, иногда до глубины несколько сотен метров. Для зтого выполняют либо специальные профили (зондирования) методом отраженных волн, предназначенные для изучения неглубоких границ, либо профили преломленных волн. В случае проведения работ МОВ взрывы производят в скважинах чаще всего одиночных, при работах методом преломленных волн (МПВ) — вблизи поверхности земли, так как необходимая длина профиля может превышать 1000 м при зарядах в несколько килограммов.

При разведке методом ОГТ изучение скоростных параметров зоны малых скоростей (ЗМС) и подстилающих ее слоев приобретает особое значение, поскольку зти данные необходимы не только для выбора оптимальных условий возбуждения колебаний, но и при обработке материалов. Проводимый с зтой целью микросейсмокаротаж (МСК) выполняется чаще всего в виде обращенного сейсмокаротажа. В скважину помещают гирлянду (косу) проводов с злектродетонаторами. Последние размещают через 1—2 м в пределах ЗМС и через 2—5 м ниже ее подошвы. Скважины, используемые для МСК, доводят по возможности до избранной поверхности приведения. На поверхности земли помещают при этом 3—5 (и больше) сейсмоприемников в 3, 5 и 10 м от устья скважины.

Сейсмическая разведка методом отраженных волн (МОВ) проводится в самых разнообразных условиях. Результаты этой разведки имеют столь большое значение для успешных поисков глубоко залегающих перспективных структур, что еще недавно для получения необходимых результатов не останавливались перед бурением скважин в галечниках на глубину 100 м и более, взрывами групповых зарядов в шурфах при общей массе ВВ несколько сотен килограммов при каждом взрыве и т. п.

При значительной длине профилей могут меняться поверхностные условия, а также оптимальные условия для взрывов. Их на каждом новом участке определяют на основании опытов, проводимых в наиболее типичных для участка условиях. Важнейшим элементом опытов является поинтервальный прострел взрывных скважин. В результате опытных работ становятся известными волны-помехи, характерные для каждого участка, оптимальные для участка условия заложения зарядов и величины, при которых достигается наибольшее отношение сигнал-помеха. Это обычно

достигается при помещении заряда ниже подошвы ЗМС на 0,25 длины отраженной волны, принятой за основную. При наличии таких сведений можно заранее планировать число и глубину взрывных скважин, необходимую величину заряда и не только обеспечить неизменно высокое качество регистрируемых сигналов, но и повысить производительность сейсмического отряда.

При разведке по методу общей глубинной точки (ОГТ) взрывы производят через небольшие интервалы (60—200 м) на прямолинейных отрезках профилей.

Наблюдения можно выполнять по нескольким схемам.

При наличии пункта взрыва на фиксированном удалении относительно базы приема. В этом случае пункт (пункты) взрыва перемещается в одну сторону по профилю, либо находясь за пределами расстановки сейсмоприемников, либо совпадая с одним из каналов базы приема (чаще всего с крайним или центральным). Поскольку при втором варианте пункт взрыва находится в непосредственной близости от одной из групп сейсмоприемников, некоторые способы возбуждения сигнала, например воздушные взрывы, исключаются.

Пункт взрыва меняет свое положение относительно базы приема. При этом перемещение точки взрыва осуществляется по петлевой схеме: после нескольких перемещений в сторону отработанной части профиля взрывпункт смещают не значительное расстояние вперед по профилю и снова перемещают на небольшие интервалы назад. И при этой схеме пункт взрыва может находиться в пределах базы приема или вне ее.

Проведение работ методами плоского фронта (ПФ), управляемого плоского фронта (УПФ) или регулируемого управления фронтами волн (РУФ) связано с созданием заданного по форме фронта волны, возникающего при взрыве группы зарядов, разнесенных на значительное расстояние вдоль прямой линии.

Чтобы придать суммарному волновому фронту требуемую форму, необходимо рассчитать расстояние между зарядами, очередность их взрывания и время зедержкимежду отдельными взрывами с учетом изменения рельефа местности и глубины заложения зарядов. Линейный заряд образуется из отрезков ДШ, погружаемых на глубину несколько десятков сантиметров при помощи особого погружателя. Этот способ взрывания наиболее пригоден для участков с однородными поверхностными условиями и постоянной мощностью зоны малых скоростей.

При скважинных наблюдениях — выполнении сейсмокаротажа (СК), вертикального сейсмического профилирования (ВСП) и разведке по методу обращенных годографов (МОГ) — сейсмоприемники перемещают в глубокой скважине в пределах многих сотен метров, а взрывы сосредоточивают в ограниченном числе точек у поверхности. Чтобы проследить изменения сигнала как функции глубины, необходимо сохранить по возможности неизменными прочие /96

параметры, особенно условия возбуждения колебаний. В связи с этим стремятся, чтобы глубины и забойка скважин сохранились постоянными и все взрывные скважины размещались в пределах участка, где ожидаются одинаковые условия возбуждения.

Для возбуждения поперечных волн необходимо, чтобы взрыв происходил не воднородной среде илина границе полупространства, а в условиях наличия непосредственно у заряда определенной асимметрии среды. Чаще всего эта асимметрия создается искусственно — какой-нибудь землеройной машиной, предыдущим подготовительным взрывом или конструкцией источника (вернее снаряда, в который помещают заряд).

Следовательно, даже при проведении разведки одним каким- нибудь сейсмическим методом могут выполняться взрывные работы различного типа. Это должно найти отражение в проекте взрывных работ партии. В нем требуется предусмотреть сна-

безопас- предсто- руково-безопас- предсто- руково-ряжение и своевременно провести обучение персонала ным правилам проведения всех видов взрывных работ, ящих партии. Всю необходимую подготовку выполняет дитель взрывных работ партии.

безопас- предсто- руково-

безопас- предсто- руково-

Организация сейсмических работ

Сейсмическая партия (отряд) является основной производственной единицей, осуществляющей сейсмическую разведку на местности. Партией руководит начальник партии.

Партия (отряд) состоит из нескольких бригад, которые обеспечивают деятельность сейсмостанции и в ходе работ находятся под руководством геофизика-оператора. Во главе бригады или группы однотипных бригад стоит старший техник соответствующей специальности.

Старший техник-взрывник — ответственный руководитель взрывных работ сейсмической партии. Он участвует в составлении проекта партии, в определении количества ВМ, необходимых на полевой сезон, и их марок, составляет перечень необходимого оборудования, снаряжения, подбирает оборудование, организует изготовление снаряжения, оформляет документацию, необходимую для постройки склада ВМ и производства взрывных работ партии, определяет размеры и тип расходного склада ВМ партии, участвует в выборе участка для склада и руководит его постройкой, обеспечивает завоз ВМ на склад и их охрану при перевозке и на период работ. Руководитель взрывных работ осуществляет подготовку персонала взрывных бригад согласно «Единым правилам безопасности при взрывных работах» (ЕПБ).

В опытный и полевой периоды старший техник-взрывник обеспечивает соблюдение правил безопасности при проведении взрывных работ, осуществляет или контролирует выдачу ВМ и их расходование по назначению, организует и руководит деятельностью

бригад взрывников, обеспечивает высокое качество взрывных работ и внедряет передовые методы, ведет учет выполненных взрывных работ и израсходованных ВМ, обеспечивает исправность аппаратуры, оборудования и снаряжения взрывных пунктов, руко водит ликвидацией последствий взрывных работ, уничтожением неполноценных ВМ, производит подготовку к сдаче оборудования взрывных пунктов.

Взрывные работы в сейсмической партии выполняют непосредственно техники-взрывники (прозводители работ). Во время работ они выполняют распоряжения оператора в части выбора точки взрыва, величины заряда, времени радиосвязи и других операций, связанных с работой сейсмостанции. Техники-взрывники проверяют состояние взрывных скважин, подготовленных буровыми бригадами. Все работы они проводят с соблюдением ЕПБ и выполняют распоряжения старшего техника-взрывника, связанные с соблюдением правил безопасности, учетом ВМ, сохранностью оборудования и снаряжения бригады.

В сейсмической партии может быть от одной до пяти:шести взрывных бригад.

Деятельность геофизической партии подразделяется на периоды. Каждому из них соответствует определенный этап деятельности старшего техника-взрывника и подчиненного ему персонала.

В период составления проекта устанавливаются продолжительность полевых работ, местонахождение партии, физический объем предстоящих работ (по каждому методу), основной вид возбуждения упругих колебаний, условия проведения взрывных работ, число одновременно работающих бригад взрывников, общая потребность в ВМ разных типов, количество снаряжения, наличие или необходимость постройки расходного склада ВМ и требуемая его емкость, схема снабжения партии ВМ в течение сезона работ и применяемый вид транспорта,необходимость во временных складах или площадках, условия охраны. Соответствующие расходы включаются в смету партии.

В организационный период работа подразделяется на этапы — на месте формирования и на месте работ партии. На месте формирования партия комплектуется инженерно-техническим персоналом, который знакомят (проверяются знания) с правилами безопасности проведения взрывных работ, которые будет выполнять партия, изучаются соответствующие инструкции. Одновременно подготавливаются инструкции для рабочих взрывных? бригад, получают необходимое оборудование, снаряжение и проверяют его исправность, делают заказы на недостающее снаряжение, грузила, шесты с замками, флажки, емкости и т. п., оформляют разрешение на право производства взрывных работ.

В районе работ выбирают место для расходного склада ВМ партии, получают разрешение от местных организащш на его постройку и начинают саму постройку, подбирают людей для охраны склада.

По мере переезда к месту работ основного технического персонала и доставки аппаратуры и оборудования производится наем рабочих, их обучение в соответствии с будущими обязанностями, завоз ВМ на расходный склад, организуется его охрана, уточняется положение опасных зон при проведении взрывных работ и оповещается местное население о сроках проведения взрывных работ в пределах отдельных участков и границах опасных зон.

В полевой период партия выполняет весь комплекс работ, включая взрывные, ликвидирует последствия буровзрывных работ, производит необходимый ремонт оборудования и пополняет запасы ВМ по мере необходимости.

В начале полевого периода партия проводит опытные работы, на основании которых сопоставляет различные условия возбуждения волн.

Опытные работы для выбора условий возбуждения при ВСП проводят у каждой скважины, в которой предстоит выполнение ВСП. При этом желательно наличие в глубокой скважине зонда скважинных сейсмоприемников. Вначале определяют глубину заложения зарядов, при которой первая волна, будучи достаточно интенсивной, обладает наименьшей длительностью, затем, увеличивая заряд, устанавливают его массу, необходимую для получения записи требуемой продолжительности, при которой выделяются волны, отраженные от глубоких границ раздела. По возможности опытные взрывы производят во всех точках взрыва, намеченных для использования при ВСП в данной глубокой скважине.

При проведении опытных работ, связанных с изучением оптимальных условий возбуждения и регистрации упругих колебаний, следует менять только один параметр (массу заряда, глубину заложения заряда, чувствительность аппаратуры, число сейсмоприемников в группе и т. п.) и строго контролировать неизменность всех остальных параметров, постоянство забойки ит. п. Надо, например, учитывать такое влияние, как «усталость» скважины (обусловленное, по-видимому, проникновением продуктов взрыва в поры породы), с которым связано ухудшение условий возбуждения сигнала после нескольких взрывов, произведенных в одной и той же скважине. При недостаточном контроле за постоянством других параметров неучтенные изменения какого-либо из них, сказавшиеся на сейсмозаписи, ошибочно будут объясняться изменением изучаемого параметра. Неправильные выводы могут отразиться на ходе дальнейших работ.

В/период ликвидации партии осуществляется расчет с рабочими, нанятыми на месте работ, вывоз или ликвидация оставшихся ВМ. Аппаратура и оборудование подготавливаются к слаче на склад.

Возбуждение колебаний. Виды взрывных работ

Взрыв, используемый для создания упругих колебаний, нужен не вообще, а в тот определенный момент, когда регистрирующая аппаратура подготовлена к его записи, причем само мгновение взрыва должно быть отмечено на записи с погрешностью, не более ±0,0015 с. Кроме того, условия взрыва должны быть таковы, чтобы он по возможности обеспечивал возбуждение только полезных сигналов. При соблюдении этих требований взрывы могут производиться в воздухе, на поверхности земли, на некоторой глубине ниже поверхности земли и в водоемах. Общим для всех видов взрывных работ является применение электрического способа взрывания. Подрыв заряда ВВ осуществляется при помощи специальных взрывных машинок, позволяющих наряду с подрывом заряда передавать к регистрирующему устройству электрический импульс, соответствующий истинному моменту взрыва, по каналу проводной или беспроводной связи.

По принятой партией методике работ бывают необходимы взрывы групп зарядов, причем одновременно или с заранее заданными промежутками времени. При взрывании групповых зарядов одновременность подрыва обеспечивается путем ’ подрыва одного электродетонатора (ЭД), от которого к каждому заряду в группе идет отрезок ДШ; все отрезки ДШ одинаковой длины. При наличии мощной взрывной машинки одновременно подрывают все ЭД, помещенные в заряды, образующие группу. В случае необходимости разновременного взрыва зарядов используют специальную взрывную машинку, посылающую импульсы тока через заданные интервалы времени в несколько (до 50) присоединенных к машинке взрывных магистралей, или обычную взрывную машинку, при помощи которой взрывают один из зарядов группы, а другие заряды группы соединяются отрезками ДШ соответствующей длины либо последовательно, либо все непосредственно с первоначальным.

Необходимо, однако, помнить, что при скорости детонации ДШ порядка 7000 м/с для создания замедления около 60 мс нужно до 400 м ДШ (такие и большие замедления могут понадобиться при разведке на наклонные границы методами управляемых фронтов (УФ). При помощи ДШ нельзя также осуществить без сложных и длинных сетей запаздывание взрывов на 0,01 с или меньше на 100 м длины базы. В связи с этим более целесообразны специальные взрывные машинки, обеспечивающие необходимое запаздывание для каждого заряда группы.

Воздушные взрывы. Этот вид работ мало распространен, так как при взрывах в воздухе расход ВВ превышает расход в скважинах более чем в 10 раз. Воздушный эквивалент применяемых в настоящее время в скважинах зарядов в 10 кг и более превысит 100 кг ВВ, в связи с чем стоимость ВВ на 1 физическое наблюдение составит 50—80 руб. Если учесть, что при наблюдениях ОГТ ±0

взрывы производятся через 60—200 м, применение воздушных взрывов резко повысит стоимость 1 км сейсмического профиля, что делает этот вид взрывных работ экономически нецелесообразным, Воздушные взрывы обычно бывают групповыми. Заряды массой до 10 кг каждый размещают следующим образом: один в центре и шесть равномерно по окружности. В случае необходимости еще 12 зарядов располагают на окружности с двойным радиусом. Линейное расположение зарядов применяется гораздо реже. Оптимальная высота расположения зарядов определяется опытным путем. Для указанных масс она составляет 1,25—2,50 м (см. гл. Ш, § 2 и гл. 1У, § 1). При более высоком положении зарядов теряется слишком большая доля энергии взрывов. Заряды помещаются на легких треногах с подвижным средним стержнем, который может выдвигаться, а его положение — фиксироваться через небольшие интервалы по высоте. Заряд прикрепляется к съемной надставке, которую заменяют после каждого взрыва.

Следует учитывать, что взрывчатые вещества с отрицательным кислородным балансом при взрывах в воздухе создают пламя, достаточное для воспламенения сухой травы или других легковоспламеняющихся материалов, поэтому при выполнении воздушных взрывов необходимо удалить из-под заряда воспламеняющиеся вещества.7

Взрывы на поверхности земли. Этот вид взрывных работ требует больше В В по сравнению с воздушными для достижения полезного эффекта, сопоставимого со взрывом в скважине. Его применяют при исследовании зоны малых скоростей, когда чаще всего достаточны заряды до 1 кг.

Существуют патенты на поверхностный заряд в виде тонкой пластины ВВ, занимающей большую площадь, однако о производственном применении подобных зарядов сообщений нет.

Взрывы в водоемах. В морях и реках запрещено применение зарядов из обычных ВВ, так как взрывы губительно отражаются на ихтиофауне, особенно на молоди. Взрывы ВВ осуществляются теперь лишь в водоемах, не имеющих промышленного значения, а при сейсморазведочных работах на реках и морях упругие колебания возбуждаются при помощи установок газовой детонации (УГД), пневматических излучателей (ПИ) или электроискрового разряда.

Взрывные работы в шурфах. Этот вид взрывных работ также утрачивает свое значение. Отечественная промышленность производит значительное количество типо-размеров буровых станков (преимущественно шнековых), которыми можно бурить неглубокие скважины диаметром в несколько десятков сантиметров. Станки используются для рытья ям под посадку деревьев, под телеграфные столбы, для закладки зарядов при проходке мелиоративных каналов взрывным способом и т. п. Скорость бурения •скважины станками не идет ни в какое сравнение со скоростью проходки шурфов, например, при помощи ковшового экскаватора,

поэтому при массовом производстве взрывов на небольшой глубине необходимо предусматривать механизацию работ путем использования бурового станка соответствующего типа.

Шурф, т. е. горную выработку с сечением 0,5—0,6 м2 и больше, задают для помещения значительного количества ВВ (для помещения заряда в несколько килограммов можно пробурить скважину в гораздо меньший срок). Глубина шурфа определяется проектом работ.

Взрывы линейных зарядов в почве. Этот вид приповерхностных взрывных работ получил применение в последнее время. Заряды состоят из одного или нескольких отрезков ДШ повышенной мощности, размещенных параллельно или соединенных последовательно.

При работах МОВ ДШ помещается в грунт при помощи по- гружателя линейных зарядов (ПЛЗ). Погружатель смонтирован на основе навесного плуга, прикрепляемого к трактору. Основной узел погружателя представляет собой нож-резец. При движении трактора нож образует узкую борозду, в которую через трубчатое подающее устройство ДШ разматывается с бухты, помещенной на катушку погружателя. Глубина укладки ДШ должна исключать выброс последнего и воспламенение окружающей растительности, т. е. должна составлять не менее 0,4 м.

Линейные заряды применяются и для возбуждения поперечных волн (направленных воздействий). Для создания асимметричного поля производят взрывы ДШ, помещенного в траншее, образованной, например, при помощи канавокопателя (см. ниже — возбуждение поперечных волн).

Взрывные работы в скважинах. Этот вид взрывных работ остается преобладающим. Он имеет большое число модификаций, обусловленных характером грунтов, глубиной заложения заряда, типом применяемого бурового станка, интенсивностью и другими характеристиками возбуждаемого упругого импульса и, как направление, далеко не исчерпал себя, заключая возможности для дальнейшего совершенствования.

Выше указывалось, что наибольший сейсмический эффект заряд создает, если его помещают в скважине ниже подошвы зоны малых скоростей в пластичную или водонасыщенную среду при плотной забойке необходимой мощности. Оптимальная глубина заложения заряда определяется опытным путем. Размещение заряда слишком глубоко связано не только с излишними расходами на бурение, но может нежелательно изменить частотный спектр возбуждаемых колебаний.

Следует также учитывать, что удлинение одиночного заряда малоэффективно, поэтому при необходимости значительно увеличить заряд надо либо создавать камуфлет на забое одиночной скважины, чтобы поместить там одиночный концентрированный заряд, либо осуществлять группирование взрывов, размещая увеличенный заряд по частям в нескольких скважинах (см. гл» 202

IV, § 2). Нельзя упускать из виду и экономический фактор: для данного конкретного района группирование взрывов в некотором числе мелких скважин может оказаться целесообразнее бурения одиночных глубоких скважин (здесь не рассматривается переход на «невзрывные» источники возбуждения, применение которых может дать еще больший экономический эффект).

Условия возбуждения желательно сохранять постоянными. Этого легко достичь в районах со слаборасчлененным рельефом и с однородным строением верхней части разреза. Если геологическое строение участка работ претерпевает изменения, то следует увязать качество регистрируемых сигналов с каким-либо параметром взрывных скважин, поддающимся более быстрому определению по сравнению с микросейсмокаротажем. Для этой цели могут быть использованы данные электрокаротажа или гамма- каротажа, записи бурильщика (механический каротаж) в сочетании с наблюдениями за шламом или выбуренной породой. Если искомая зависимость существует, то геолог партии строит предварительные разрезы, по которым задают необходимые глубины скважин для обеспечения помещения зарядов в оптимальные условия.

Несколько специфичны взрывные работы, связанные с возбуждением поперечных волн, группированием взрывов по вертикали и с обеспечением заданной скорости детонации заряда. Они также преимущественно проводятся в скважинах.

Возбуждение поперечных волн. Существует несколько способов возбуждения поперечных волн. Общим для всех является наличие вблизи очага взрыва некоторого искусственного нарушения однородности среды, затрудняющего формирование продольных волн. Взрывы производятся в траншеях, в скважинах с камуфлетами, в скважинах возле камуфлетной полости.

При взрывах в траншеях под заряд помещают рыхлый грунт, который содержит воздух и ослабляет продольные волны, являясь для них своеобразным поглотителем. После закладки ВВ траншею засыпают (см. рис. 68).

В случае взрывов в скважинах с камуфлетом бурят две группы скважин, чаще всего вкрест профиля. Глубины скважин колеблются в пределах 3—5 м; при этих глубинах получается наибольшее отношение амплитуд поперечных и продольных волн. Расстояния между скважинами в ряду могут варьировать от 2 до 10 м, а между рядами составляют 1—3 м. Число скважин в группе 10 — 20 [(5x2) — (10x2)]. Все скважины заряжают, делают водяную забойку и производят групповой взрыв — подготовительный. Его задача —- образовать в нижней части скважин возможно большие камуфлетные полости, но чтобы между соседними полостями оставался небольшой целик грунта. Камуфлетные полости заряжают затем меньшими зарядами — рабочими (см. рис. 69). Иногда иод заряд и вплотную к нему подсыпают немного рыхлого грунта. - Заряды каждого ряда соединяют в группу и производят подрыв зарядов в одном ряду, а затем во втором. Все взрывы про-

изводятся, как обычно, по команде геофизика-оператора. Масса каждого предварительного (рыхлящего) заряда зависит от грунта и от поставленной задачи и составляет 0,4—2,5 кг, массы рабочих всегда меньше.

Способ взрывов возле полости предусматривает наличие трех рядов скважин в группе. Вначале бурят скважины центрального ряда, помещают в них заряды и производят взрывы для образования камуфлетной полости. В зависимости от типа пород заряды могут достигать 10 кг. Параллельно центральному ряду по обеим сторонам от него бурят ряды скважин такой же глубины (3—5 м). Расстояния между рядами выбирают такими, чтобы эти скважины прошли близко к образовавшейся зоне рыхления, но не попали в нее. В скважины помещают заряды (по 0,4—2,5 кг), осуществляют забойку и образуют две группы зарядов. В каждую группу входят заряды, находящиеся по одну сторону от центрального ряда. Группы взрывают порознь по команде оператора.

Взрывные скважины бурят чаще всего шнековыми станками. Раньше считалось, что при взрывах в обводненных грунтах поперечные волны не возникают. Однако было доказано, что при взрывах в скважинах с камуфлетом поперечные волны необходимой интенсивности возбуждаются даже при помещении заряда ниже уровня грунтовых вод.

Существуют еще несколько способов возбуждения поперечных волн, однако они не вышли из начальной стадии опытных работ, К ним относится, например, способ взрывов с временными задержками: заряды группы взрываются по очереди с замедлением, рассчитанным на взрыв очередного заряда в момент, когда к нему приблизилась или почти достигла его зона рыхления, образовавшаяся при взрыве предыдущего заряда. Разброс во времени срабатывания электродетонаторов существенно мешает развитию этого способа.

Группирование взрывов по вертикали. Цель этого группирования усилить вертикальную составляющую возбуждаемого импульса и по возможности ослабить волны, распространяющиеся в других направлениях. Наибольший эффект достигается при равенстве скоростей детонации и распространения данного типа волн в среде, окружающей заряд. Группирование взрывов осуществляют сверху вниз или снизу вверх. Во втором случае направленная вниз энергия составляет около 5% энергии такого же заряда, в котором группирование осуществлено сверху вниз. При группировании снизу вверх ослабляются первые волны, но зато волны-спутники обладают повышенной энергией, что облегчает их выделение при сопоставлении записей, полученных в случае разных направлений группирования взрывов по вертикали.

Заданную скорость распространения упругого импульса по вертикали можно получить одним из следующих способов:

имея непрерывный заряд из ВВ с заданной скоростью детонации, близкой к скорости распространения упругих волн в окружающих породах (2200—3000 м/с);

имея группу раздельных зарядов, подрываемых через заданные промежутки при помощи электродетонаторов, помещенных в каждый заряд и взрываемых поочередно с заданными задержками, при помощи отревков ДШ, свитых в спираль и помещенных между отдельными зарядами, при использовании составных зарядов (см. гл. V). Первый способ не пригоден при инициировании сверху, так как первый взрыв может повредить провода, ведущие к нижележащим зарядам. Другим препятствием для применения этого способа является разброс во времени срабатывания ЭД, что может быть вызвано различным сопротивлением в соединениях и другими причинами.

Детонирующий шнур лучше навивать на трубку из пластмассы. Если для этой цели взять дерево, то оно будет всплывать в воде, заполняющей скважину. Расстояние между витками должно быть достаточно большим, чтобы детонация шла вдоль шнура, а не распространялась непосредственно по образующей цилиндра, на который навит ДШ, и не разрушала шнур. Задавшись скоростью детонации и расстоянием между зарядами, можно рассчитать необходимое число витков. Например, чтобы получить скорость детонации 2500 м/с при расстояниях между зарядами 0,5 м, их надо подрывать через 0,0002 с. Для такого замедления требуется отрезок ДШ длиной 1,4 м. На трубке диаметром около 70 мм этот отрезок образует около семи витков при расстоянии между ними около 7 см. Чтобы получить скорость продвижения взрывной волны порядка 1800 м/с, на том же отрезке нужно поместить 2 м ДШ, располагая витки через 5 см.

Способ возбуждения, использующий составные заряды, замедляя скорость детонации, не позволяет точно задать скорость распространения упругого импульса.

Условия заложения заряда в скважину зависят от пород, в которых пройдена скважина, и применяемого типа бурового станка. В настоящее время существует несколько разных способов образования скважин для помещения зарядов: задавливание вращательное бурение с промывкой скважины водой или продувкой ее воздухом, шнековое бурение, виброшнековое бурение. При задавливании наконечник на штанге под действием веса всей установки погружается в породу, раздвигая ее и образуя пустоту для помещения заряда. Заряд массой ВВ до 5 кг находится при этом в наконечнике (см. стр. 212). Этот способ пригоден для образования скважин глубиной до 9 м в некоторых категориях пород, не обладающих значительной плотностью или вязкостью.

Бурение с промывкой наиболее универсально. Однако передвижные буровые станки сейсмических партий дают высокую скорость бурения только в породах I—III категорий. В твердых трещиноватых породах применяют бурение с продувкой воздухом, который подается компрессором через вертлюг колонны бурильных штанг подобно промывочной жидкости. Однако некоторые породы с трудом поддаются этому бурению (глины, водоносные

пески и др.). В сухих песках, гравии, даже в мелком галечнике высокую скорость бурения имеют шнековые буровые станки, которые позволяют углубиться и в водонасыщенные пески. Лучше- бурятся сыпучие породы с галькой и плывуны виброшнеко- вым способом. В водоносных песках для бурения скважины может быть применен гидромониторный способ: вода в большом количестве подается насосом в колонну штанг; выходя из насадки (сопла) внизу колонны, она, поднимаясь, увлекает несвязанные частицы породы, выносит их наверх снаружи колонны штанг, которая постепенно погружается в размытую полость под тяжестью своей массы.

Чтобы поместить заряд в скважину, пробуренную вращательным способом, необходимо извлечь из нее колонну штанг и буровой наконечник — долото. При устойчивых породах стенки скважины противостоят горному давлению в течение продолжительного времени, и заряд опускают на забой под действием своего веса или при помощи грузила. В менее устойчивых породах частицы, выпадая из стенок, постепенно заполняют ствол скважины, и для того, чтобы поместить заряд на забой скважины, нужно приложить большое усилие или предварительно промыть ствол скважины при помощи насоса бурового станка и колонны штанг. В неустойчивых породах стенки скважины обваливаются почти сразу после извлечения из нее бурового инструмента. В этих случаях неустойчивую часть ствола скважины закрепляют обсадными трубами, затем долотом меньшего диаметра углубляют ее и помещают заряд ниже обсадных труб. После взрыва обсадные трубы извлекают для повторного использования. Совокупность этих операций отнимает столько времени, что скорость бурения и подготовки взрывных скважин становится определяющим фактором производительности партии в целом.

Оборудование взрывного пункта

Каждая взрывная бригада располагает взрывчатыми материалами, взрывной машинкой, средствами связи с сейсмостанцией, проводами для взрывной магистрали и соединения зарядов, необходимыми инструментами, приборами, оборудованием для опускания заряда, оцепления опасной зоны и сигнализации и т. д. При частых перемещениях бригады по точкам взрыва ей придается транспорт — чаще всего специально оборудованная автомашина (автовзрывпункт) повышенной проходимости.

При сейсморазведке могут быть использованы почти все ВВ, пускаемые отечественной промышленностью. Чаще всего применяются тротиловые прессованные шашки массой по 0,4 кг, имеющие форму прямоугольной призмы размером 101 X 51 X 52 мм, а также выпускаемые для целей сейсморазведки цилиндрические заряды из литого тротила, массой примерно по 2,5 кг при диаметре 206

80 мм и высоте 350 мм (см. рис. 36). Цилиндрические заряды имеют по оси отверстие, что упрощает изготовление сборного заряда из нескольких единичных. Это же отверстие служит для помещения наконечника устройства, используемого для помещения заряда на дно скважины. С одной из торцевых частей цилиндрического заряда находится промежуточный детонатор с отверстием для электродетонатора. Как известно, литой тротил не детонирует от взрыва ЭД или ЭДС и нуждается в более сильном инициирующем импульсе, создаваемом промежуточными детонаторами. Последние имеются не в каждом из цилиндрических зарядов. В связи с установивщейся практикой взрывов 5—10 кг взрывчатого вещества в одном заряде, т. е. сборки 2—4 цилиндрических зарядов, для подрыва такой сборки достаточно наличия промежуточного детонатора только в первом из них, остальные детонируют от взрыва первого заряда.

Составление сборного заряда из призматических шашек отнимает время. Если заряд опускается в скважину, он должен быть прочно увязан, чтобы его можно было довести до забоя скважины вопреки сопротивлению жидкости в ее стволе.

Значительная экономия времени достигается при использовании для сейсморазведки единичных зарядов в оболочках, которые оборудованы замками (например, типа резьбовых соединений), допускающими быструю сборку в один составной заряд произвольного числа единичных зарядов.

В качестве ЭД при сейсморазведочных работах применяют ЭДС. Основные параметры ЭДС описаны выше (см. гл. П, § 5). Необходимо учитывать, что имеющийся ГОСТ не предусматривает для ЭДС допусков по времени срабатывания, которые для ЭД составляют 2—10 мс при силе тока 1 А. При меньшей силе тока время срабатывания ЭД возрастает ( и разброс времени также), поэтому при выполнении взрывных работ, связанных с разновременным взрыванием зарядов в группе, следует опытным путем установить разброс по времени срабатывания имеющихся ЭДС и изменение этого разброса в зависимости от длины (сопротивления) применяемых взрывных линий.

Допустимо применение аммиачно-селитренных ВВ: 1) если не требуется гидроизоляция зарядов: 2) при использовании очень малых зарядов (в несколько десятков граммов), гидроизоляция которых может быть осуществлена простейшим способом — при помощи резиновых или полиэтиленовых мешочков. В однородных сейсмогеологических условиях при постоянной величине заряда можно помещать гигроскопичные ВВ в подготовленные отрезки пластмассовых труб, надлежащим образом герметизируемых с торцов, такие заряды являются прототипами зарядов в оболочках.

Можно использовать- также пироксилиновые пороха, сроки хранения которых как порохов истекли, но они еще годны как бризантные ВВ. Эти пороха не требуют гидроизоляции, и большой заряд из них может быть насыпан в скважину (разумеется, с со-

блюдением правил безопасности), а потом подорван вспомогательным зарядом из бризантного ВВ. Наличие воды в скважине повышает эффективность взрыва.

Взрывная машинка должна создать импульс тока, достаточный для подрыва группы ЭД. Этот импульс должен быть синхронизирован с регистрирующей аппаратурой сейсмостанции, т, е, он должен возникйуть по команде оператора.

Все вычисления при обработке сейсмозаписи основываются на времени прихода сигналов, поэтому каждая запись должна иметь отметку взрыва.

Во взрывной машинке предусмотрено устройство для передачи к сейсмостанции момента взрыва — электрического импульса, совпадающего со взрывом заряда. Этого совпадения можно достичь двумя способами:

сделав мостик ЭД настолько прочным, чтобы он разрушался не при прохождении тока, а при взрыве ( на этом принципе основан ЭД С); тогда во взрывной цепи будут два импульса — импульс посылки тока и импульс прекращения тока (при взрыве); при большой силе тока эти импульсы сближаются;

поместив на заряд петлю изолированной проволоки, входящей в цепь источника постоянного тока (чаще всего для этого используют цепь пробника, вмонтированного во взрывную машинку для сейсморазведки). При взрыве ток в цепи прекращается, импульс передается через трансформатор к регистрирующей аппаратуре.

Второй способ более точный, но требует, чтобы к заряду шла не только взрывная линия, но и моментная. Приготовление двух линий сказывается на темпах работ, и, когда не требуется повышенная точность отметки момента, применяют первый способ отметки.

При сейсморазведке применяются в основном взрывные машинки конденсаторного типа. При помощи генератора высокого напряжения, питаемого от нескольких элементов С-373 или от батареи дисковых аккумуляторов (12 В), помещенных в корпус машинки, конденсатор в несколько микрофарад заряжается до напряжения 400—600В и более. Параллельно обкладкам накопительного конденсатора подключена неоновая лампочка, которая сигнализирует о том, что конденсатор накопил заряд, достаточный для производства взрыва, т. е. при соединении его с цепью, имеющей сопротивление до 500 Ом, в ней пойдет ток силой 1,0 — 1,5 А. Если прервать работу генератора, отпустив кнопку заряда («подготовка»), конденсатор сразу разряжается через балластное сопротивление, и нажатие кнопки «взрыв» не вызывает взрыва. Для производства взрыва следует, не прекращая нажатия кнопки «подготовка», нажать кнопку «взрыв». При нажатии двух кнопок для производства взрыва уменьшается опасность случайного взрыва. Дополнительной мерой предосторожности является снабжение взрывной машинки замком, который разрывает цепь питания 208

генератора. Ключ от замка хранится у взрывника. Для включения цепи питания ключ помещают в замок непосредственно перед взрывом, когда заряд полностью подготовлен к нему.

Кроме того, во взрывную машинку, которая используется при сейсморазведке, вмонтированы обычно: 1) устройство связи с сейсмостанцией, которое служит для переговоров с оператором и для передачи сигнала отметки момента взрыва к регистрирующей аппаратуре; б) устройство для «синхронизации» взрыва с регистрирующей аппаратурой при работах с производством взрыва по сигналу от сейсмостанции, подаваемому в момент, когда аппаратура подготовлена к регистрации. Взрывник и в этих случаях не теряет контроля за взрывной цепью. Он должен нажимать кнопки «подготовка» и «взрыв» также как и тогда, когда он непосредственно производит взрыв. Достаточно ему отпустить кнопку «взрыв», как цепь окажется разомкнутой, а при отпускании кнопки «подготовка» — конденсатор-накопитель разряженным.

При проведении сейсмической разведки способом плоского фронта (ПФ) могут быть применены несколько групп зарядов, разнесенных на значительное расстояние. Взрывы при этом требуется осуществлять с промежутками в несколько миллисекунд. Для выполнения взрывов через малые промежутки времени взрывную машинку дополняют необходимым количеством контактов и переключателем (вращательным или реечным) или электронной схемой задержки. По заданным задержкам определяют контакты, которые будут замкнуты через соответствующие промежутки времени, и присоединяют к ним линии (провода) от зарядов, создающих фронт заданной формы. При использовании электронных схем задержки (например, устройства взрывного электронного ЭУПВ-12) величина задержек зависит от избранного интервала дискретности и может быть доведена до 500 мс. По программе, пробитой на перфокарте, происходит подача с задержками импульсов, управляющих посылкой тока в цепь соответствующего ЭДС. ЭУПВ-12 рассчитано на разновременный подрыв 12 зарядов. При числе зарядов больше 12 имеется возможность соединять ЭУПВ-12 в группу, причем одно остается управляющим, а все остальные — управляемыми.

209209Схема управления взрывом (УВР) придается сейсморазведочным станциям. Ее назначение — согласовать выполнение взрыва с готовностью регистрирующей аппаратуры сейсмостанции и обеспечить прием и запись сигналов, соответствующих отметке момента взрыва и tB. Она применяется при проводной связи и при радиосвязи. Эта схема состоит из двух блоков — один находится на сейсмостанции, второй — на взрывном пункте. Дешифратор, находящийся в блоке на пункте взрыва, сигнализирует взрывнику начать зарядку конденсатора-накопителя и посылает импульс Для выполнения команды «огонь». Замыкание боевой магистрали (при нажатой взрывником кнопки «взрыв») осуществляет реле, срабатывающее с некоторой задержкой (до 0,5 с), причем перед

209

209

14 Заказ 419

взрывом другое реле переключает станцию взрывпункта с приема па передачу сигналов — отметки момента и i„.

Подобные схемы должны быть достаточно помехоустойчивыми, не срабатывать от случайных импульсов, атмосферных разрядов и т. п., обеспечивать включение цепей передатчиков и при всем этом быть безотказными, так как они используются в полевых условиях взрывником, не имеющим радиотехнической подготовки.

При группировании взрывов на больших базах требуются выполнение дополнительных правил безопасности, в частности, охрана всей опасной зоны постами, расположенными в пределах взаимной видимости. Посты, кроме линий связи, соединяются блок- линией с числом блокирующих кнопок, соответствующим числу постов. Перед взрывом по боевому сигналу каждый пост охраны нажимает свою кнопку. Если необходимо предотвратить взрыв, пост охраны должен отпустить кнопку, поскольку наличие хотя бы одной незамкнутой кнопки разрывает цепь взрывной линии и исключает возможность взрыва.

С взрывной машинкой заряд соединяют магистральными проводами. При групповых взрывах заряды каждой группы соединяют между собой в заданном порядке участковым проводом, конец которого соединяют с магистральным. Для создания регулируемого управляемого фронта (РУФ) магистральные провода составляют из нескольких парных линий (по числу подрываемых зарядов), смонтированных в общий кабель. На конце магистральных проводов помещают штепсельные разъемы, а в них — закорачивающие вилки (гнезда). По мере монтажа взрывной магистрали от заряда к взрывной машинке закорачивающие элементы вынимают и провода соединяют штепсельными разъемами. Линии изготавливаются обычно из гибких изолированных проводов с малым электрическим сопротивлением (сечение магистральных проводов должно быть не менее 0,75 мм2).

Для зачистки концов проводов от электродетонаторов и участковых взрывник использует нож, комбинированные плоскогубцы. При соединении проводов концы их после зачистки прочно скрепляются, а места соединений изолируются. Соединения должны быть механически прочными, а изоляция надежной, так как при несоблюдении этого условия существенно изменится сила тока, а следовательно, и время срабатывания электродетонатора, что скажется на точности отметки времени или на величине промежутка времени между отдельными взрывами в группе.

Смонтированный заряд помещают в подготовленную выработку. В чистые открытые выработки небольшие заряды спускают непосредственно на проводе. Большие заряды во избежание нарушения целости опускают на шпагате или изолированном проводе.

Если разница между сечениями заряда и скважины невелика или в скважине существует препятствия для прохождения заряда, к нему прилагают усилие для доведения его до забоя. Чаще всего оно создается грузилом, которое имеет с одного конца деревянный или 2/

пластмассовый наконечник для сочленения с зарядом, а с другого — проушину для каната (провода). Если грузило поднимают вручную, то масса его обычно невелика. Более тяжелые грузила (в 200— 300 кг) опускают на тросе, используя лебедку автовзрывпункта, соединенную с коробкой отбора мощности, и легкую стрелу. Для доставки заряда на забой применяют также шесты. Шесты (чаще всего деревянные) делают длиной по 2,5—3,0 м. В комплект входят шесты одинаковой длины, что позволяет по числу шестов определить глубину заложения заряда с точностью до 0,5 м. На концах шестов помещают соединения — резьбовые или другие. Постепенно наращивая колонну шестов и прилагая к ней усилие, взрывник доводит заряд до забоя.

Для сигнализации и оцепления опасной зоны применяют красные флажки.

Автовзрывпункт — машина повышенной проходимости, приспособленная для размещения персонала взрывной бригады и всего ее оборудования. В кузове находятся цистерна с вакуумным водозабором, два небольших железных шкафа, в которые помещают деревянные ящики с В В (на 250 кг ВВ). На цистерне расположены ящик для ЭД С (на 100 шт.), смоточный станок с катушкой для провода связи, катушка для взрывной магистрали. В кузове имеются места для персонала взрывной бригады и ящики для средств связи, взрывной машинки, инструментов и оборудования. На стоянке автовзрывпункт заземляют.

Приготовление зарядов и производство взрывов

Прибыв на место взрыва, взрывник проверяет состояние горной выработки, в которую будет помещен заряд, и, если в нее можно поместить заказанный заряд на заданную глубину, он приступает к изготовлению заряда.

При взрывах в шурфах заряд помещают на дно. При большой массе ВВ оставляют в заводской таре. После закладки нужного количества ВВ сверху помещают боевик, который должен соприкасаться с основным зарядом ВВ, чтобы обеспечить взрыв последнего. Забойку создают, засыпая заряд песком, измельченной землей. Нельзя допускать, чтобы в забойку попадали камни, крупные комки глины или земли, так как взрывом их может разбросать на сотни метров и причинить тяжелые травмы населению, находящемуся за пределами опасной зоны, определяемой действием ударной волны или разлетом мелких частиц грунта.

При производстве взрывов в водоеме взрывник в лодке отвозит заряд и опускает его либо на дно, либо в воду на заданную глубину, причем для удержания заряда на зтой глубине используется поплавок (резиновая оболочка, надутая воздухом). Опустив 'заряд, взрывник отплывает на лодке к берегу, стравливая при этом взрывную магистраль и следя за тем, чтобы заряд не сместился. Достигнув берега, взрывник, продолжая разматывать

магистраль, доходит до ее разъема, соединяет ее, уходит в укрытие и оттуда производит взрыв по команде оператора.

При производстве взрыва в скважине ВВ помещают насыпью либо в ее ствол, либо в уже образованный камуфлет (а жидкие ВВ — наливом), а потом в толщу ВВ вводят боевик необходимой мощности. Чаще всего заряд готовят на поверхности целиком, т. е. взрывчатому веществу придают компактную форму, соответствующую сечению скважины.

В зависимости от массы всего заряда, применяемых единичных зарядов и их формы приготовление может представлять собой относительно простую операцию, например свинчивание нескольких единичных зарядов, имеющих быстродействующие сочленения, или соединение 2—3 цилиндрических зарядов с использованием их осевых отверстий. Больше времени уходит на создание достаточно жесткого заряда из небольших шашек. Для этого требуются увязочный материал и направляющие планки для придания заряду жесткости.

Если применяемое ВВ требует более сильного инициирующего импульса, чем импульс, создаваемый ЭДС, то промежуточный детонатор обычно вмонтирован в толщу ВВ и имеет сверление под ЭДС. Провод от ЭДС прочно закрепляют вокруг прилегающего участка заряда или его обвязки, чтобы он не сместился при опускании заряда, а ЭДС не мог выскочить из своего гнезда в заряде. ЭДС обычно заранее проверяют на проводимость, а при групповых взрывах также калибруют, применяя для этого линейный мостик или другой прибор, допущенный ЕПБ.

Электродетонаторы делят на группы, отличающиеся по сопротивлению на 0,3—0,5 Ом. Чем меньше расхождение сопротивления цепи мостиков'различных ЭДС, тем больше вероятность того, что разброс времени срабатывания мостиков будет незначительнее. Концы проводников ЭДС обычно свободны от изоляции. Концы участковых проводов зачищают от изоляции, проверяют на проводимость, прочно соединяют с концами проводников от ЭДС, места соединений хорошо изолируют.

При работе с одиночными зарядами роль участкового провода играет ближняя к заряду половина взрывной магистрали. (Как известно, взрывная магистраль состоит из двух частей, которые разъединяются после взрыва и последующей проверки проводимости магистрали).

При использовании грузил или шестов обвязку подготовленного заряда соединяют у устья скважины с клинообразным наконечником грузила или первого шеста. Назначение этого наконечника — передавать на заряд вес грузила или усилие взрывника при движении заряда вниз и разъединяться с зарядом в самом начале подъема грузила (шеста), оставляя заряд на забое. Наиболее удобны в этом случае наконечники клиновидной формы.

При спуске заряда на грузиле взрывник следит за тем, чтобы продвижение участкового провода (магистрали) и колонны шестов 212

или каната от грузила было одинаковым, иначе заряд может соскочить с наконечника, и тогда потребуется поднять заряд на поверхность и снова сочленить его с наконечнйком. Когда заряд достигает забоя, наконечник и заряд рывком разъединяют и поднимают грузило (колонну шестов), следя за тем, чтобы не зацепить участковый провод и не увлечь при этом заряд вверх.

При использовании шестов предпочтение отдают тому виду сочленения между ними, который позволяет взрывнику осуществить спуск заряда, не прибегая к помощи других членов взрывной бригады.

Разработаны несколько способов погружения зарядов через буровой инструмент.

При использовании установки для бурения и механизированной зарядки взрывных скважин (максимальная глубина погружения 9 м). На поверхности земли заряд помещают в погружа- тель и соединяют с отрезком ДШ, протянутого через всю колонну бурильных штанг. Крышки погружателя закрывают вращением хвостовика колонны бурильных штанг. Затем стрелу (мачту) переводят в вертикальное положение, и оператор установки приступает к задавливанию погружателя. Если верхняя часть грунта очень плотная (мерзлый грунт), то на глубину до 1,5 м его можно предварительно разрыхлить шнеком (буровой узел составляет часть установки), а лишь затем приступать к задавливанию. Для этого колонну штанг зажимают патроном и включают соединенный с ним гидроцилиндр для подачи патрона вниз.

Установка снабжена двумя патронами: пока один работает на давление, второй вхолостую перемещают вверх. После подачи колонны штанг на весь ход первого цилиндра его отключают и включают второй. Этим достигается непрерывное продвижение погружателя под нагрузкой до 13 т. После достижения погружа- телем заданном глубины его немного поднимают, открывают крышки, штоком выталкивают заряд, фиксатором закрепляют крышки-скребки в открытом положении, постепенными ходами гидравлических цилиндров вверх извлекают погружатель на поверхность и отсоединяют конец ДШ от тросика, находящегося внутри штанг. После этого укладывают мачту в горизонтальное положение, отводят установку, засыпают скважину землей и присоединяют ЭДС к концу отрезка ДШ, идущего от заряда. После этого заряд подготовлен к взрыву.

При использовании полых шнеков (трубошнеков). Этот способ помещения зарядов применяется при шнековом (виб- рошнековом) бурении в неустойчивых, рыхлых породах в трех вариантах.

Скважину проходят шнеками и обсаживают колонной труб, снабженной заглушкой внизу. В колонну помещают заряд, открывают заглушку, поднимают колонну, оставляя заряд на забое. На вращателе шнекового станка через крючок продевают конец взрывной магистрали (участкового провода) и вешают на него не-

большой груз. При этом можно разъединять колонну труб без помех со стороны взрывной магистрали.

При использовании шнековых погружателей происходит совмещение процессов бурения и погружения зарядов. Погружа- тель представляет собой шнек, снабженный в нижней части сбоку двумя резцами-рыхлителями, а в торцевой части — крышкой. Снаряженный заряд (до 10 кг ВВ) помещают в погружатель (заряд снабжают пружинной распоркой — «якорем», которая должна удерживать его в скважине после выхода из погружателя).

Бурение начинают погружателем, как долотом, и по мере проходки скважины наращивают обычные для данного станка шнеки. По достижении заданной глубины прекращают бурение, открывают крышку погружателя, заряд при этом выходит в скважину. При подъеме шнеков заряд остается на дне, удерживаемый якорем, а провод, соединенный с ЭДС, разматывается с катушки, помещенной в погружатель.

При шнековом бурении в плывунах иногда применяют комбинированное долото со съемной средней частью. После бурения до заданной глубины (зачастую на 6—10 м ниже кровли плывуна) извлекают съемное долото. При этом плывун заходит внутрь колонны шнеков.

Заряд (до 8 кг) с помещенным ЭДС и с присоединенным проводом, длина которого на 2 м превышает глубину скважины, опускают в колонну шнеков до пробки из плывуна. Конец провода наматывают в один ряд на конусный деревянный шаблон и (без шаблона) помещают в полумуфту шнека узким концом вниз. К верхнему концу провода привязывают У-образную пружину из проволоки, которую также помещают в полумуфту вверху колонны шнеков.

После этого на верхнюю часть колонны шнеков надевают полузамок, соединенный резиновым шлангом с хранилищем сжатого воздуха (ресивер), давление в котором доведено до 10— 13 кгс/см2.

При открытии крана ресивера сжатый воздух проходит в колонну и создает в ней постоянное давление 5—8 кгс/см2, при котором поднимают колонну на высоту одного шнека, перекрывая кран воздушной линии. В процессе подъема пробка плывуна и заряд выталкиваются в скважину сжатым воздухом через отверстие в долоте. При выходе заряда из колонны шнеков давление в воздушной линии падает: после этого можно приступать к ее подъему. При подъеме V-образная пружина продергивается через полые шнеки, и в конце подъема взрывник крючком задевает конец провода и окончательно извлекает его из последнего шнека для дальнейшего монтажа взрывной магистрали.

Механизация процесса заряжания скважин и совмещение его с бурением возможны в определенных геологических условиях. Приведенные примеры показывают, что при соблюдении требований безопасности можно допустить не только пребывание заряда 214

в колонне труб, но и бурение скважины при наличии заряда в рабочем наконечнике установки, образующей скважину. Отдельные приемы, используемые в одних районах, с успехом могут быть применены и в других, где они позволят сократить время заряжания скважин и повысить производительность партии в целом. Несомненно, что с развитием технической оснащенности партий появятся новые способы ускоренного заряжания скважин, совмещенные, по возможности, с их бурением.

При разведке методом ОГТ число взрывов на единицу длины профиля возрастает по сравнению с обычной модификацией метода отраженных волн (МОВ). Увеличение числа взрывов не требует соответствующего увеличения числа перестановок сейсмоприемников, поскольку в сейсмостанции используют коммутатор, позволяющий подключить одну и ту же группу сейсмоприемников на вход различных регистрирующих каналов. В связи с этим для производительности партии определяющим стало число взрывов, которое может быть выполнено за смепу. В какой-то мере увеличение числа бригад взрывников может способствовать повышению производительности, но, например, при нахождении точек взрывов в пределах базы приема деятельность бригад взрывников должна прерываться при регистрации взрывов от других точек, а при использовании механических средств заряжания такие остановки нежелательны.

Одним из путей повышения производительности сейсмических отрядов должна стать консервация зарядов, т. е. предварительное бурение и заряжание скважин. Заранее подготовленные заряды используются через несколько часов (или суток). Основное требование безопасности в случаях оставления зарядов впрок сводится к обеспечению их сохранности, заключающемуся в том, чтобы посторонние лица не могли извлечь или подорвать заряд. Консервация зарядов применяется за рубежом.

Устройство для консервации заряда представляет собой заглушку для скважины с распорным приспособлением, не позволяющим извлечь заглушку без специального ключа, находящегося у взрывника. Провод, идущий от заряда, подвязывается к нижней части распорного устройства.

Погружение линейных зарядов механизировано. Конец ДШ выводят через трубку питателя, привязывают к деревянному бруску, который укладывают в выкопанную ямку поперек будущей канавы для ДШ. Затем тракторист и взрывник садятся в кабину трактора, трактор заводится, нож-резец опускается, и после того как рабочий, принимающий участие в заряжании бухты ДШ, удалится на безопасное расстояние, трактор начинает движение. При движении трактора взрывник в зеркало наблюдает за ходом разматывания ДШ. Кабину трактора сзади оборудуют железной заслонкой, исключающей возможность поражения тракториста и взрывника при случайном взрыве бухты ДШ.

Если по проекту длина линейного заряда превышает длину

бухты, то после того, как бухта смотана с катушки, трактор останавливают, отсоединяют съемную щеку катушки и помещают на нее бухту ДШ, снова выводят конец ДШ через трубчатое питающее устройство, сращивают отрезки шнура и продолжают погружение заряда. Помещение бухты ДШ на катушку и вывод ДШ через подающее устройство выполняет взрывник или специально проинструктированный рабочий взрывной бригады.

После того как заряд помещен в горную выработку, взрывник осуществляет забойку. В скважинах лучшей забойкой является 1 вода. Если столб жидкости в скважине мал, то перед взрывом в нее доливают воду из цистерны автовзрывпункта. Эта мера эффективна не при всех типах грунтов, поэтому необходимо опытным путем установить условия забойки для участков района работ. Необходимо помнить, что запись неудачного взрыва, т. е. взрыва, при котором не возникли колебания, обладающие достаточной энергией, или создались помехи выше допустимого уровня, будет । забракована. Повторение отдельного забракованного наблюдения требует от сейсмической партии гораздо больше усилий и времени, чем выполнение рядового наблюдения при простреле профиля. Взрывник должен знать, когда и в каком количестве производить забойку.

После помещения зарядов группы в горные выработки взрывник соединяет по заданной схеме участковые провода, проверяет их, присоединяет к взрывной магистрали и, двигаясь в направлении к взрывному пункту, снимает закорачивающую перемычку на среднем разъеме взрывной магистрали и закорачивающую пе- * ремычку с вилки взрывной магистрали, находящейся у взрывной i машинки, проверяет проводимость всей линии и, если нужно, сравнивает сопротивление линии с расчетным. После этого он сообщает оператору о готовности заряда к взрыву, массу заряда и глубину его погружения (в том случае, если он выполнял заряжание сам).

Оператор подготавливает аппаратуру к записи и, проверив ее готовность, командует взрывнику быть готовым к взрыву. Взрывник подает сигнал готовности к взрыву, отпирает взрывную машинку, присоединяет взрывную магистраль к гнездам «боевая линия» и приступает к зарядке конденсатора-накопителя. При работах МРУФ все взрывники на блок-пунктах сообщают о состоянии готовности к взрыву и нажимают свои блок-кнопкн взрывной линии. Оператор подает команды с расчетом, чтобы конденсатор-накопитель во взрывной машинке получил необходимый заряд. По последней команде — «огонь» взрывник нажимает кнопку «взрыв».

После взрыва взрывник сообщает оператору свои наблюдения (частичный взрыв, сгорание ВВ и т. п.), отсоединяет взрывную магистраль от машинки, вынимает ключ, проверяет взрывную магистраль на отсутствие обрыва и короткого замыкания и ждет указаний оператора. При отказе взрывник немедленно информирует

оператора, отключает магистраль, вынимает ключ из машинки и приступает к выявлению и ликвидации причины отказа.

При выполнении всех действий, связанных с подготовкой заряда к взрыванию, взрывник руководствуется ЕПБ и инструкциями для проведения взрывных работ с использованием определенного оборудования, применяемого бригадой.

§ 6, Ликвидация последствий взрывов

При группировании взрывов при разведке методом ОГТ, от увеличения массы среднего заряда происходят значительные разрушения поверхности земли, образуются провальные воронки, узкие колодцы, которые являются причиной увечий и даже гибели людей и животных. Сейсморазведочная партия обязана ликвидировать причиненные ею повреждения, восстановить условия беспрепятственного землепользования на участках разведки. Конкретные меры по ликвидации последствий взрывов определяются начальником партии по согласованию с местными советскими органами.

Действующая «Инструкция по ликвидации последствий взрывов при сейсморазведочных работах» (1971 г.) обязывает взрывника осмотреть место взрыва, определить характер разрушений. При наличии разрушений, угрожающих последующим обрушением, взрывник обязан обеспечить охрану места взрыва и информировать об этом лицо, ответственное за ликвидацию последствий взрывных работ. Взрывные скважины подлежат промеру по всему стволу. Опасные участки у скважин, угрожающих обрушением, должны непрерывно охраняться, пока в результате ликвидационных работ опасность не будет устранена.

Воронки, образующиеся при взрывах на ” выброс, следует засыпать и выравнивать. Чтобы сохранить участок для землепользования, почвенный слой снимают до взрыва, складируют, а потом помещают сверху грунта, насыпанного в воронку.

Взрывные скважины, в которых возможно образование провальной воронки (при наличии камуфлетной полости на глубине h ^М, М — масса заряда в кг), ликвидируют искусственным обрушением грунта погруженными или накладными зарядами, которые располагают не ближе 1,5 м от устья скважины. Всю группу таких зарядов взрывают одновременно, образовавшуюся на поверхности воронку засыпают грунтом. Число необходимых зарядов, их величина, глубина погружения определяются на месте, исходя из конкретных условий. Полнота ликвидации воронок и пустот определяется" путем сопоставления объема грунта, использованного для засыпки, с теоретическими расчетами объемов полостей и воронок, возникающих при взрывах.

Скважины, не угрожающие провалом, ликвидируются при помощи пробки, забутовки устья (пробка может быть из дерева,

грунта или другого материала). Слой грунта над пробкой, за-бутовкой должен быть не менее 0,5 м, чтобы не создавать препят-грунта или другого материала). Слой грунта над пробкой, за-бутовкой должен быть не менее 0,5 м, чтобы не создавать препят-Рпс. 92. Графики для определения минимальной глубины заложения заряда h в зависимости от его массы G, при которой провальные воронки на поверхности не образуются.Рпс. 92. Графики для определения минимальной глубины заложения заряда h в зависимости от его массы G, при которой провальные воронки на поверхности не образуются.у — при h ^5 VG; 2 — принятый дляПриобьяу — при h ^5 VG; 2 — принятый дляПриобьяствии для землепользования.

грунта или другого материала). Слой грунта над пробкой, за-бутовкой должен быть не менее 0,5 м, чтобы не создавать препят-

грунта или другого материала). Слой грунта над пробкой, за-бутовкой должен быть не менее 0,5 м, чтобы не создавать препят-

Рпс. 92. Графики для определения минимальной глубины заложения заряда h в зависимости от его массы G, при которой провальные воронки на поверхности не образуются.

Рпс. 92. Графики для определения минимальной глубины заложения заряда h в зависимости от его массы G, при которой провальные воронки на поверхности не образуются.

у — при h ^5 VG; 2 — принятый дляПриобья

у — при h ^5 VG; 2 — принятый дляПриобья

При сохранности устьевых частей скважин, пробуренных в лесах и на лугах, допускается ставить заглушки — деревянные пробки длиной не менее 1 м и диаметром, на 50 мм превышающим диаметр долота. В труднодоступных болотистых местах, где в жидких грунтах скважины заплывают и самоликвидируются в короткий срок, по согласованию с горным надзором, дополнительные работы по ликвидации последствий взрывов можно не производить.

В некоторых районах, где поверхностные условия бо

лее или менее однородны и где определен радиус остаточных деформаций, устанавливают предельную массу заряда как функцию глубины его заложения (рис. 92).

Так, для районов среднего течения Оби принимается следующая зависимость!

глубина погружения в м: 4 6 8 10 12 16 20 24 28 32 масса заряда в кг:0,1 0,3 0,7 1,4 2,4 5,7 11 19 30 45

При этих соотношениях расстояние от поверхности земли до зоны остаточных деформаций грунта в два раза превышает радиус этой зоны.

Все работы по ликвидации последствий взрывов регистрируются в журнале по форме: 1) номер записи; 2) дата проведения сейсмических работ; 3) номер профиля и положение точки взрыва; 4) характер разрушений; 5) дата и способ ликвидации; 6) исполнитель (фамилия, должность, подпись).

Ликвидационные работы должны быть закончены до отъезда партии. Если они проводились зимой, то после оттаивания грунта (весной или летом) необходимо проверить качество работ по ликвидации и в случае необходимости повторить ее.

При ликвидации последствий взрывов в скважинах надо считаться еще с одним фактором. Обычно взрывные скважины доводятся до первого водоносного горизонта или несколько углубляются в подстилающие его водоносные слои. Иногда скважины пересекают водоупорные породы или тонкий слой последних

разрушается при взрывах. В этих случаях необходимо учитывать, находится ли слой водоупорных пород в одном водоносном горизонте или разделяет два водоносных горизонта, различающихся по режиму, химизму води другим параметрам. Если он разделяет два водоносных горизонта, взрывные работы могут вызвать нежелательные явления — дренаж верхнего горизонта или смешение вод различного химического состава. Геолог партии обязан дать рекомендации о необходимости дополнительных ликвидационных работ и их характере, чтобы исключить сообщение через каналы взрывных скважин различных водоносных горизонтов или полостей, созданных взрывами.

Начальник партии совместно с представителями местных организаций составляет акт о завершении ликвидационных работ и возможности беспрепятственного использования территории в хозяйственных целях.

Из изложенного выше следует, что во многих случаях трудоемкость ликвидационных работ может быть сопоставима с работами по выполнению взрывов. Уменьшение зарядов, вполне возможное при возросшей чувствительности аппаратуры, существенно сократит объем повреждений, а следовательно, ликвидационных работ. Наиболее радикальный способ сокращения расходов на взрывные работы и ликвидацию их результатов —■ переход к «невзрывным» источникам возбуждения колебаний.

Глава VII

ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ В ГЛУБОКИХ СКВАЖИНАХ

Взрывные работы в глубоких скважинах составляют часть геофизических работ, выполняемых при бурении, испытании и эксплуатации скважин на нефть, газ, воду и другие полезные ископаемые. В промысловой геофизике они имеют самостоятельное значение, способствуя быстрой и успешной ликвидации аварий, качественному вскрытию пласта (без чего немыслима точная оценка продуктивности скважин), быстрому и надежному испытанию пластов, наконец, решению многих, зачастую сложных вопросов, возникающих при эксплуатации скважин. Некоторые из этих видов взрывных работ могут быть использованы и в практике сейсмического отряда.

Не исключено также, что в обязанности геофизика-полевика будет включено общее руководство взрывными работами, в том числе прострелочно-взрывными. Изучив этот раздел, он должен научиться критически оценивать качество работ по вскрытию пласта и испытанию скважин, чтобы быть в состоянии дать заключение о правильности выбора используемой аппаратуры, методов ее применения и сделанных выводов о продуктивности пластов. Сказанное предполагает знакомство с прострелочно- взрывными работами, оборудованием, методами его применения в различных условиях, умение выбирать комплекс, обеспечивающий высокое качество испытания скважин.

Предупреждение и ликвидация аварий при бурении

В настоящее время нет технологии взрывного бурения, которая по своим технико-экономическим показателям была бы способной конкурировать с существующими методами бурения, хотя для неглубоких скважин ее создание реально. Ограниченное применение находят кумулятивные заряды для пробития участков твердых пород и разрушения валунов, встречающихся на пути скважин, в том числе взрывных. Поскольку специальных дешевых зарядов не существует, можно, по-видимому, говорить о применении (после несложного приспособления) для этой цели 220

Рис. 93. Схема прихвата, вызванного «прилипанием» бурильной колонныРис. 93. Схема прихвата, вызванного «прилипанием» бурильной колонны

Рис. 93. Схема прихвата, вызванного «прилипанием» бурильной колонны

Рис. 93. Схема прихвата, вызванного «прилипанием» бурильной колонны

зарядов для кумулятивной перфорации скважин типа ПКС, поскольку использование торпед осевого действия ТКО дорого1.

Значительно шире применяется взрыв для ликвидации аварий, происходящих при бурении глубоких скважин. Наиболее рас лространенный вид аварий — прихваты. Причины их разнообразны — от заклинивания долота, обвала породы, затягивания инструмента в желоба до «прилипания» — прижатия труб к стенке ■скважин вследствие перепада давления. Иногда аварии ослож

няются потерей циркуляции. В большинстве перечисленных случаев применение взрыва может оказать существенную помощь при ликвидации аварий.

О прихватах, связанных с же- лообразованием. При бурении вдоль ствола, диаметр которого определяется диаметром долота, может образовываться желоб, диаметр которого равен наружному диаметру бурильных труб. Его глубина зависит от свойств породы и времени бурения. В прочных породах желоб обычно отсутствует. При подъеме инструмента в местах существования желобов возникают затяжки и при- - хват инструмента. Опыт показал, что если разрушить желоб (а это можно сделать, взорвав в нем заряд диаметром 0,2 — 0,4 диаметра скважины), то в течение

некоторого времени, определя

емого временем образования нового желоба, опасность прихвата исчезает. Таким образом, взрыв позволяет осуществлять профилактику прихвата.

На рис. 93, а изображена схема прихвата, связанного с «прилипанием» бурильной колонны. Бурильная труба 1 лежит на стенке скважины 2, на поверхности которой отфильтровалась глинистая корка 3. Давление в стволе (р#/10) больше пластового- рпл, и при бурении часть раствора поступает в пласт. При вращении или вибрации колонны жидкость охватывает трубу со всех сторон, поэтому они не прижимаются к стенке. После прекращения бурения картина меняется. Поскольку глинистая корка отсекает поступление новых порций жидкости, а гидростатическое давление в скважине выше пластового, жидкость, уже поступившая ’ в породу, уходит вглубь, и, при отсутствии подпитки давление

1 О зарядах ПКС и торпедах ТКО см. ниже.

на поверхности трубы, лежащей на породе, падает. Возникает сила, прижимающая трубу к стенке скважины. Чем больше перепад давления и площадь, на которую он действует, тем больше сила. На рис. 93, б показано начальное, наблюдаемое в процессе бурения распределение давления в пласте (отсчет ведется от стенки скважины) (кривая 7) и его распределение, но уже спустя некоторое время после прекращения бурения (кривая 2). Прижатие вызывается действующей на трубу разностью давлений рЯ/10—р (р — давление на стенке).

Использование взрыва для ликвидации подобных аварий основано на способности ударных волн проходить через металлические преграды и кратковременно в момент прохождения волны уменьшать или даже снимать удерживающие усилия, действующие на поверхности трубы, а также на способности ударной волны, выходящей в затрубное пространство, образовывать зазор между трубой и материалом прихвата, отбрасывая частицы материала корки от стенок в направлении движения волны.

Метод, получивший название «встряхивание», находит успешное применение в нашей стране. Заряд выбирается так, чтобы при взрыве труба или совсем не повреждалась или повреждалась минимально, а длина заряда позволяла перекрывать всю зону прихвата. Однако в ряде случаев это невыполнимо. При заклинке долота своеобразным вариантом «встряхивания» можно считать взрыв заряда в трубах над долотом с использованием действия на зову заклинки (в данном случае весьма ограниченную по протяженности) ударной волны, распространяющейся в жидкости, которая заполняет трубы. Для повышения эффективности работ необходимо обеспечить в момент взрыва максимальное смещение труб, прикладывая к ним на устье натяг и вращающий момент.

Однако чаще взрыв используется для развинчивания прихваченных труб в заданном месте. Применение его основано на известном факте — отворот труб облегчается ударом по резьбовому соединению. Роль ударяющего устройства выполняет взрыв. Для отворота труб при взрыве требуется усилие в несколько раз меньшее, чем в обычных условиях. Технология работ заключается в следующем. После интенсивного «расхаживания», определив при- хватоопределителем1 границу, до которой по трубам с дневной поверхности еще передаются усилия, затягивают резьбы (допустимое- число оборотов при затяжке резьб определяется по таблицам и зависит от диаметра труб и глубины точки отворота), дают натяг — вытяжку колонны, прикладывают к колонне отвинчивающий момент.

Принцип работы нрихватоопределителя ПО заключается в следующем При спуске в скважину с его помощью в трубах устанавливается ряд магнитных .меток. Затем к колонне прикладываются растягивающие и скручивающие усилия. Па участках, где усилия передаются, метки снимаются и прихвата нет. Глубину снятия меток в зависимости от величины приложенных усилий определяют этим же прибором.

no величине равный 1/3 затягивающего — «пружину» (во избежание самопроизвольного отворота). Натяг выбирают таким, чтобы можно было разгрузить резьбовое соединение от массы верхней части колонны с целью свести в нем силу трения к минимуму. Отвинчивающий момент и натяг фиксируют при помощи имеющегося на буровой оборудования. Во избежание неудач необходимо, чтобы точка отворота выбиралась в зоне, куда передаются как «пружина», так и усилия натяга. При этом учитывают данные кавернометриро- вания ствола: место отворота не должно попасть на

каверну.

После такой подготовки в колонну спускают торпеду из детонирующего шнура ТДШ (рис. 94), устанавливают ее в интервале отворота и взрывают. Величину заряда определяют по графику (рис. 94, б) в зависимости от диаметра труб и гидростатического давления. Если «пружины» недостаточно для разворота, то доотворот осуществляется ротором.

При отвинчивании труб длину заряда (9—11 м) выбирают так, чтобы по крайней мере одно резьбовое соединение находилось против заряда, иными сло

вами, чтобы длина заряда на 1—2м превышала длину трубы. Небольшие (метровые) торпеды ТШТ-10/12 применяют вместе с локаторами муфт для установки в резьбовом соединении. В ТДШ исполь- з уется детонирующий шнур.

ааЧисло щнупоб 5Число щнупоб 5Рис. 94. Схема торпеды из детонирующего шнура ТДШ (а) и график для выбора заряда (б)Рис. 94. Схема торпеды из детонирующего шнура ТДШ (а) и график для выбора заряда (б)мости колонны. Вопросы подготовки скважин и общие вопросы техники выполнения работ детально рассмотрены в соответствующих инструкциях.Применение цикла «отворот взрывом, промывка затрубногомости колонны. Вопросы подготовки скважин и общие вопросы техники выполнения работ детально рассмотрены в соответствующих инструкциях.Применение цикла «отворот взрывом, промывка затрубногоТорпеда ТДШ (см. рис. 94, а) состоит из головки, троса, заряда из заданного числа ниток детонирующего шнура ДШВ и груза. Диаметр головки многократного применения 50 мм. Перед началом работ следует убедиться в подготовленности скважины и прежде всего в проходи-

а

а

Число щнупоб 5

Число щнупоб 5

Рис. 94. Схема торпеды из детонирующего шнура ТДШ (а) и график для выбора заряда (б)

Рис. 94. Схема торпеды из детонирующего шнура ТДШ (а) и график для выбора заряда (б)

мости колонны. Вопросы подготовки скважин и общие вопросы техники выполнения работ детально рассмотрены в соответствующих инструкциях.

Применение цикла «отворот взрывом, промывка затрубного

мости колонны. Вопросы подготовки скважин и общие вопросы техники выполнения работ детально рассмотрены в соответствующих инструкциях.

Применение цикла «отворот взрывом, промывка затрубного

пространства, свинчивание, повторный отворот, но уже на большей глубине» позволяет в принципе полностью ликвидировать аварию. Увеличение глубины последующего отворота свя- зано с тем, что интенсивная промывка ствола после каждого отворота снимает часть удерживающих трубы усилий в верхнем, промываемом интервале.

Применение взрывного отвинчивания позволяет отказаться от завоза на скважину левого инструмента и избежать случайных отворотов труб в зоне каверн, усложняющих ликвидацию аварий.

В практике бурения при ликвидации аварий широко используется торпедирование с Целью обрыва труб. Хотя при этом часть инструмента остается в скважине, к этому методу в силу его простоты прибегают часто. В зависимости от диаметра и толщины

-2

1t

2

Рис. 95. Схематически изображенная фотограмма процесса обрыва труб, полученная на СФР

стенок трубы, температуры и давления в зоне обрыва, диаметра ствола (обсадной колонны) скважины применяемые торпеды различаются размерами зарядов, а также термостойкостью ВВ. Картину действия взрыва на трубы при обрыве хорошо иллюстрирует схематически изображенная фотограмма процесса (рис. 95), полученная в варианте непрерывной развертки в сосуде высокого давления, снабженного оптическими вводами, при помощи скоростного фоторегистратора СФР. Стрелка показывает направление развития процесса во времени. На рис. 95 1—1 — стенка трубки, внутри которой размещен заряд, 2—2 — стенки сосуда высокого давления, 1—3 — расширение стенок трубки под действием энергии, захваченной у ударной волны и продуктов взрыва, 1—2 — ударная волна, прошедшая трубку и распространяющаяся в затрубном пространстве, 2—3 — ударная волна, отраженная от стенки сосуда. Приход отраженной волны сказывается на характере дальнейшей деформации трубки, которая может прекратиться полностью (на рис. 95 сильно замедляется, 3—4),

Таким образом, следует ожидать, что в зависимости от расстояния труба — стенка скважины, материала стенки (последний будет определять интенсивность отраженной волны, максимальную в обсаженных скважинах), а также гидростатического давления, величина заряда, обрывающего трубу, будет меняться.

Проведенные исследования процесса позволили Е. А. Левину построить номограммы (рис. 96) для выбора заряда, обрывающего трубы в различных условиях скважины. Построение, осуществляемое для выбора заряда, показано на каждой из номограмм линиями, а последовательность операций — цифрами. Номограмма рис. 96, а предназначена для выбора заряда, обрывающего трубу.

женном (а) и необсаженном (б) интервалах скважины.

1, 2 — последовательность операций; dTp, d3, dc# dTP(BH— диаметры трубы, варяда, скважины и внутренний диаметр трубы

находящуюся в обсадной колонне, 96, б — в необсаженном стволе. Проделав соответствующие построения, легко убедиться, что при прочих равных условиях величина заряда, необходимого для обрыва трубы, в первом случае будет существенно больше. Поскольку при обрыве труб максимальное действие взрыва на стенки практически достигается при длине заряда в 6 диаметров трубы, увеличение длины торпеды за 80—100 см не оправдано.

Таблица 21

Параметры торпед ТШТ

Шифр торпеды

Наружный диаметр корпуса, мм

Характеристика заряда

диаметр, мм

длина, мм

масса, кг

ТШТ 20/22

22

20

510

0,255

ТШТ 25/28

28

28

700

0,55

ТШТ 35/40

40

40

700

1,080

ТШТ 43/48

48

48

700

1,620

ТШТ 50/50

55

55

700

2,200

ТШТ 65/70

70

70

500

2,650

Заказ 419

Рис. 97. Торпеда ТШТРис. 97. Торпеда ТШТ

Рис. 97. Торпеда ТШТ

Рис. 97. Торпеда ТШТ

Серийно выпускаемые фугасные негерметичные ториеды ТШТ (рис. 97) состоят из корпуса 7, заряда 2, взрывного патрона 3, переходника 4, груза 5, извлекаемого из скважины после взрыва. Торпеда спускается в скважину на кабеле. Характеристики

основных фугасных торпед даны в табл. 21.

Торпеды ТШТ обеспечивают выполнение работ при температуре до 160° С и давлении 800 кгс/см2. В настоящее время существуют опытные образцы торпед этого класса, используемые при давлении 1500 кгс/см2 и температуре 230— 250 °C.

Иногда используются фугасные герметичные торпеды. Существуют герметичные торпеды двух типов — с корпусом, полностью воспринимающим давление, и с корпусом, передающим полностью или частично давление на заряд. Применение их ограничено.

При авариях, происходящих при цементировании обсадных колонн, когда по тем или иным причинам часть цемента застывает в стволе, прихватывая конец колонны, возникает необходимость в перерезании насосно-компрессорных труб. Для перерезания насосно-компрессорных труб и обсадных колонн успешно применяются кольцевые кумулятивные труборезы. Особенность этой операции в том, что ее требуется провести с минимальным повреждением обсадной колонны. На рис. 98, а приведены схемы трубореза ТКГ-55—500, предназначенного для этой цели. В корпусе 7 размещается небольшой кольцевой кумулятивный заряд 2, струя которого, как и у всех других труборезов этого типа, обладает ограниченным по расстоянию действием и способна перерезать преграду, расположенную только вблизи заряда. Этим объясняется невозможность создания трубореза для перерезания бурильных труб с высаженными внутрь концами. Полость 3 трубореза, в которую могут расширяться продукты взрыва, позволяет уменьшить фугасное действие последнего. На рис. 98, б изображен кольцевой труборез для обсадных труб, рядом (в) — общий вид трубы, перерезанной струей трубореза.

Если труборез отсутствует, обычно применяют короткие фугасные торпеды большого диаметра, собираемые из шашек ТШТ. Обрыв трубы в этом случае сопровождается образованием металлических «лепестков», отогнутых наружу и мешающих последующему извлечению труб, поскольку заряд обладает значительным фугасным действием. Во избежание ненужных разрушений трубы,

можно рекомендовать (особенно для небольших глубин) заменить такую торпеду на торпеду иной конструкции (рис. 99), которая на месте может быть изготовлена из детонирующего шнура. На корпус в выемку длиной около 20 см 2 наматывается 2—3 слоя детонирующего шнура. Диаметр корпуса делают таким, чтобы зазор между ним и внутренней стенкой трубы был минимален. Поскольку между зарядом (детонирующим шнуром) и стенкой зазор мал, в торпеде в первую очередь реализуется бризантное действие взрыва, достаточное для разрушения трубы, а фугасное

Рис. 98. Схемы тоуборезов для насоснокомпрессорных труб (а), обсадных колонн (б) и общий вид перерезанной трубы (в)

в силу малоД массы заряда будет незначительным и не вызовет ненужных повреждений (электродетонатор 3 устанавливается по центру).

Метод «встряхивания» может быть применен и при извлечении труб. Показано, что если к извлекаемой обсадной колонне приложено усилие натяга и произведен взрыв заряда, размещенного по всей ее длине, то в момент взрыва усилия сдвига резко уменьшаются, колонна смещается и дальнейший подъем протекает проще. Этот метод применялся при извлечении колонн длиной до 100—150 м, в том числе больших диаметров.

Наконец, несколько слов относительно разрушения металла, оставленного на забое торпедами кумулятивными осевыми (ТКО) (рис. 100). Выпускают торпеды ТКО-120 и ТКО-70, использующиеся при температурах до 120—150° С и давлении до 350—

Рис. 99. Схема торпеды из детонирующего шнура для разрыва трубРис. 99. Схема торпеды из детонирующего шнура для разрыва труб

Рис. 99. Схема торпеды из детонирующего шнура для разрыва труб

Рис. 99. Схема торпеды из детонирующего шнура для разрыва труб

500 кгс/см2. Торпеда имеет кумулятивный заряд 7, взрывной патрон 2, корпус 4, кумулятивную воронку 3 и способна разрушить шарошки и другие металлические предметы, оставленные на забое.

Рис. 100. Схема кумулятивной осевой торпеды (ТКО)

Опыт показал, что, хотя в среднем на операцию требуется несколько торпед, общее время ликвидации аварий сокращается приблизительно в 3 раза. Условием успешного применения указанных торпед является размещение их на разрушаемом объекте, что часто сложно из-за выпадения осадков из глинистого раствора.

Отбор образцов горных пород и скважинных жидкостей. Взрывные пакеры

Образцы породы и жидкости, взятые из скважины, в сочетании с данными каротажа, служат основой предварительного заключения о продуктивности пластов. Правильность его проверяют при последующих испытаниях скважины. Если учесть, что отбор кернового материала буровым инструментом — дорогостоящая операция, существенно удлиняющая бурение и часто выполняемая 228

некачественно, станет ясным роль отбора породы и пластовых жидкостей геофизиками при бурении.

В настоящее время для отбора образцов пород из стенок не- обсаженных скважин применяются боковые стреляющие грунтоносы типа МСГ90М, ГСБ112, ГСБ80, ГМК50 (последний для

углеразведочных скважин). Кроме стреляющих, существуют сверлящие грунтоносы (порода из стенки скважины отбирается при помощи цилиндрического бура) и режущие грунтоносы (порода отбирается при помощи дисковых фрез, керны имеют форму трехгранной призмы). Однако основными остаются стреляющие грунтоносы, из которых наибольшее применение имеет МСГ-90М (многоствольный стреляющий грунтонос модернизированный), предназначенный для работ в скважинах диаметром 140 мм и больше. В обычном исполнении он используется при давлении до 700 кгс/см2 и температуре до 110° С, а в термостойком варианте — до 200° С. Грунтоносы ГСБ112 и ГСБ-80 применяются преимущественно для отбора кернов из малопрочных пород.

В стволе грунтоноса (рис. 101), размещенном в стальном корпусе 1, находится боек 2, связанный с корпусом тросом 3. При поджигании порохового заряда боек выстреливается и врезается в породу, отбирая образец. При подъеме грунтоноса боек вместе с заполнившим его полость образцом породы при помощи троса извлекается из пласта. Следует считаться с тем, что значительное число бойков остается в скважине (до 20%) и нужно планировать приобретение запасных комплектов бойков к каждому грунтоносу.

Одной из причин оставления бойков служит

Рис. 101. СхемаРис. 101. Схемастреляющего грунтоносастреляющего грунтоносазавышение величины заряда, в результате чего боек слишком глубоко проникает в породу. Если район недостаточно изучен, то при первых работах в скважине следует экспериментально

Рис. 101. Схема

Рис. 101. Схема

стреляющего грунтоноса

стреляющего грунтоноса

уточнить велиуточнить величину оптимального для данных условий заряда. Существует схема

уточнить вели

уточнить вели

расчета величины заряда грунтоноса, однако его точность недостаточна в силу неопределенности с оценкой свойств породы. При расчетах пользуются данными о скорости выстреливаемого бойка в зависимости от гидростатического давления и массы пороха (есть номограммы), а также об энергоемкости породы, из которой отбирают керн (энергоемкость — количество энергии, необходимой для разрушения 1 см3 породы, — определяют по справочнику). Поскольку объем керна известен (в зависимости от

типа грунтоноса и свойств породы он составляет от 5 до 30 см3), то, приравняв энергию бойка mv2^ к энергоемкости породы, узнают необходимую скорость бойка и по номограммам — величину заряда. Энергоемкость нефтесодержащих пород лежит в пределах 0,3—9,0 кгс-м/см3. В расчетах принимают, что разрушается половина объема керна.

Несколько слов о каротажных опробователях пласта — ОПК и ОПТ, предназначенных для отбора пластовых жидкостей или газа. Их применение наиболее эффективно в сцементированных коллекторах с гранулярной пористостью. Для работ в обсаженных скважинах с диаметром колонн 146 и 168 мм существует специальный тип опробователя пласта — ОПО-5-6, использующий кумулятивные заряды для создания канала, обеспечивающего движение жидкости (газа) из пласта в опробователь.

При выполнении механических операций в опробователях ОПК и ОПТ используется энергия столба жидкости, заполняющей скважину. Пластовая жидкость (газ) собирается в полости опробователя. Герметизация места прижима прибора к пласту (стенке трубы) в сочетании с перекрытием канала, ведущего в емкость, после ее заполнения дает возможность получать незагрязненные пластовые пробы.

Приборы облегчают и ускоряют работы по испытанию скважин. В варианте с глубинными манометрами, регистрирующими темп заполнения полости, они позволяют давать предварительные заключения о гидродинамических характеристиках пласта. Характеристики грунтоноса и опробователя пластов приведены в табл. 22.

Таблица 22

Условия применения грунтоноса МСГ-90М и опробователя пластов ОПК-7-10

Наименование

о. л ф 4

2 ш

8 « й lags £ Я о 5

Максимальные

давление, кгс/см8

температура, °C

Примет ание

Боковой стреляющий грунтонос . . .

Опробователь пластов ОПК-7-10 . . .

140

190

800

500

110

100

Наибольший объем образца в мягких породах 15 см3, в твердых — 5 см3

Объем баллона 6,3 дм3. Используетсязаряд

ЗПК-65

Для разобщения участков ствола обсаженной скважины широкое применение в последние годы получили взрывные пакеры. 230

Рис. 102.Разрез взрывного пакера, запрессованного в трубу пороховымиРис. 102.Разрез взрывного пакера, запрессованного в трубу пороховымигазамигазами

Рис. 102.

Разрез взрывного пакера, запрессованного в трубу пороховыми

Рис. 102.

Разрез взрывного пакера, запрессованного в трубу пороховыми

газами

газами

Использование их позволяет сократить время испытания скважин, поскольку установка спускаемого на каротажном кабеле ВП осуществляется быстро и нет необходимости ожидать

схватывания цемента. Они позволяют успешно испытывать пласты близко расположенные друг к другу и, наконец, в эксплуатационных скважинах изолировать подошвенные воды \

На рис. 102 показан разрез ВП, запрессованного в обсадную колонну. Взрывной пакер — цилиндрическое полое устройство из легко разбуриваемых сплавов алюминия с входным отверстием, несущее заряд пороха. Величина заряда выбирается по номограмме в зависимости от гидростатического давления и внутреннего диаметра обсадной колонны. После спуска пакера на заданный интервал включением тока в цепь кабеля заряд поджигается, и газы, необратимо деформируя корпус, заставляют его впрессовываться в обсадную трубу, одновременно автоматически отсоединяя пакер от груза, с которым он спускался в скважину. В нормальных условиях

запрессовка герметична и выдерживает перепад давления порядка 300 кгс/см.

При эллипсности колонны для повышения надежности разобщения участков ствола обсаженной скважины на взрывной пакер, установленный в скважине, может быть вылита порция це-

мента, спущенного в желонке.

Вскрытие пласта

Для обеспечения нормального движения жидкости (газа) из пласта в скважину необходимо создать канал (трещину), проходящий через стенку колонны, цементное кольцо (для оценки его толщины следует привлекать данные кавернометрирования) и слой загрязненной при бурении породы, иначе — перфорировать скважину. Канал по возможности должен быть широким, глубоким и не засоренным. Засоряется канал оставленными в нем остатками заряда, затянутыми в него частицами из глинистого раствора, а также шламом, способными образовать пробку, если давление в стволе больше пластового. Желательно создать трещины вокруг каналов, особенно в глинизированных пластах, характеризующихся мелкослоистой структурой.

Перфорация должна гарантировать сохранность колонны и цементного кольца, быть безопасной для выполняющего ее пер-

сонала, дешевой и производительной. В трещиноватых коллекторах, где при расчете движения жидкости из пласта в ствол необходимо учитывать, что часть ее идет по трещинам с существенно меньшим сопротивлепием, чем в породе, соединение перфорационного канала с трещиной, равно как и преодоление им загрязненной зоны пласта (для всех случаев), может сильно увеличить дебит. Чем глубже каналы и больше их диаметр, тем выше качество вскрытия пласта. В нормальных условиях глубина каналов — не менее 70—100 мм при плотности перфорации 10—15 отверстий на 1 м, в плотных, малопроницаемых коллекторах — примерно 150—200 мм при плотности перфорации 15—20 отверстий на 1 м.

В настоящее время при вскрытии пласта применяют кумулятивную, пулевую, снарядную, реже пескоструйную перфорацию и очень редко (преимущественно в осложненных условиях) используют фугасное торпедирование1. Перфорация является основным видом взрывных работ в скважинах. При пулевой перфорации отверстие пробивается пулей, выстреливаемой из стреляющих устройств — пулевых перфораторов разного типа, при снарядной перфорации — своеобразным «бронебойным» снарядом, взрывающимся после проникновения в породу, при кумулятивной перфорации — кумулятивной струей, возникающей при срабатывании заряда перфораторов. При пескоструйной перфорации отверстия (точнее полости) в породе образуются вследствие абразивного действия струи, содержащей песок, взвешенный в жидкости, которая истекает из сопел под давлением в направлении стенки скважины. Она дороже, сложна, но в некоторых условиях именно с ней при вскрытии пласта были получены наиболее хорошие результаты. На глубине более 4 км ее применение затруднено из-за трудности транспортирования взвеси песка с дневной поверхности.

Следует отметить, что гидропескоструйная перфорация позволяет вскрывать пласт при герметизированном устье и в очень плотных (более 2,0 г/см3) растворах, когда не обеспечивается проходимость обычных перфораторов.

Пулевые перфораторы (рис. 103) применяются преимущественно в малопрочных породах (пески и слабосцементированные песчаники); в этом случае глубина перфорации имеет второстепенное значение, поскольку пласт обладает хорошей проницаемостью. Делятся они на залповые — с одновременным и селективные с — поочередным выстреливанием пуль. Стволы расположены перпендикулярно стенкам скважины. Различаются перфораторы по размерам корпуса, соответственно применяются в колоннах разных диаметров. Схема перфоратора приведена на рис. 103.

Диаметр заряда торпеды типа ТШТ (da) для условий, когда взрыв вызывает лишь образование трещин в трубе (с?тр), цементном кольце и породе, определяют из отношения djd^ = 0,32 <- 0,4 (для твердых пород). 232

Рис. 103. Схема пулевого перфоратора.1 — камера; 2 — пороховой заряд; 3 — пуля; 4 — стволРис. 103. Схема пулевого перфоратора.1 — камера; 2 — пороховой заряд; 3 — пуля; 4 — ствол

Рис. 103. Схема пулевого перфоратора.

1 — камера; 2 — пороховой заряд; 3 — пуля; 4 — ствол

Рис. 103. Схема пулевого перфоратора.

1 — камера; 2 — пороховой заряд; 3 — пуля; 4 — ствол

Пробивное действие пули определяется скоростью, которую она приобретает под действием пороховых газов. При выстреле газы совершают работу А = [ р (I) Sndl, где р — давле-

Ь

ние, Sn — площадь сечения пули, I — длина канала ствола. Отсюда следует, что давление в зарядной камере должно быть возможно большим в течение всего времени движения пули, поскольку в перфораторах этого типа нельзя увеличить длину ствола. Последнее достигается применением камор большого объема и прессованных до высокой плотности порохов. Разгар стволов перфораторов, наблюдаемый при эксплуатации, снижает пробивную способность пуль. При движении в жидкости в колоннах большого диаметра пули отклоняются от оси полета (нет вращения) и при ударе о стенку могут рикошетировать. Пулевая перфорация — наиболее дешевый вид перфорации, но применяется ограниченно из-за невысокой пробивной способности пуль.

В последние годы успешно применяется специфический пулевой вертикально направленный перфоратор ПВН (рис. 104). Он также имеет каморы 7, где размещается пороховой заряд 2, стволы 3 с пулями 4, но в отличие от обычных пулевых перфораторов стволы у него направлены по оси скважины и в конце искривляются, позволяя пуле диаметром 20 мм, массой 80 г входить в пласт. Благодаря тому что пуля имеет возможность разгоняться на большом участке пути (ствол у ПВН в несколько раз длиннее, чем у обычных пулевых перфораторов), к моменту ее выхода из ствола она приобретает значительную скорость и способна глубоко проникать в породу, особенно если последняя не очень прочная.

Вокруг отверстий, созданных пулями в пласте, всегда возникают трещины, особенно интенсивно вокруг канала, образованного

пулями ПВН.

Перфоратор ПВН наиболее эффективен в сравнительно малопрочных глинизированных породах с невысокой проницаемостью. Были случаи, когда в этих условиях он оказался самым эффективным из всех применяемых перфораторов, что следует иметь в виду, выбирая метод вскрытия пласта. Как и у всех пу-

левых перфораторов, эффективность его заметно снижается с по

вышением гидростатического давления. Целесообразность применения ПВН на очень больших глубинах проблематична.

Торпедный перфоратор Колодяжного (ТПК) еще применяется в небольшом объеме в нашей стране. Отличается от пулевых тем,

что вместо пули выстреливается своеобразный бронебойный сна-

Рис. 104. Схема вертикально направленного перфоратора ПВН.1 — камера; 2 — пороховой заряд; з — ствол; 4 — пуля менно. Поскольку зарядыРис. 104. Схема вертикально направленного перфоратора ПВН.1 — камера; 2 — пороховой заряд; з — ствол; 4 — пуля менно. Поскольку зарядыряд калибра 22 мм. Его взрыватель срабатывает в породе в момент остановки снаряда за обсадной трубой, и взрыв позволяет получить небольшую каверну и трещины в породе. Какими- либо1 особыми преимуществами этот перфоратор не обладает.

Рис. 104. Схема вертикально направленного перфоратора ПВН.

1 — камера; 2 — пороховой заряд; з — ствол; 4 — пуля менно. Поскольку заряды

Рис. 104. Схема вертикально направленного перфоратора ПВН.

1 — камера; 2 — пороховой заряд; з — ствол; 4 — пуля менно. Поскольку заряды

Кумулятивные перфораторы — основной тип перфораторов для вскрытия пласта. Они основаны на направленном действии взрыва (см. главу I). Используемые в них заряды отличаются не только массой, но и конструкцией, а также границами применения.

Перфораторы можно разбить на две основные группы — бескорпус- ные и корпусные.

В бескорпусных перфораторах каждый заряд размещается в индивидуальной оболочке, выдерживающей внешнее давление (стеклянной, пластмассовой, из сплавов алюминия и др.) и разрушающейся при взрыве, что позволяет применять большие заряды, но снижает границы использования изделий по давлению и температуре. Перфораторы различаются по материалу корпусов, габаритами, системе крепления зарядов (на ленты или в гирлянды) и пределами применения по давлению и температуре. Они относительно дешевы, производительны: в отдельных случаях в скважину опускают по несколько сотен зарядов одновре- болыпие и число одновременно взры

ваемых зарядов значительно, а свободного объема, куда могли бы расширяться продукты взрыва (как, например, у корпусных перфораторов), практически нет, фугасное действие взрыва у бескорпусных перфораторов больше, чем у корпусных. При проведении работ в незацементированных колоннах, или на малых глубинах их применение может привести к повреждению труб.

Бескорпусные перфораторы также делятся на две подгруппыс разрушающимся и неразрушающимся (лента, проволока) кар-касом, на которой крепятся заряды. Примером бескорпусногоперфоратора с неразрушающимся (вернее, с извлекаемым на

Ж

Рис. 106. Схема корпусного перфоратора ПК- 1 — корпус; 2 — заряд; з — детонирующий шнур; -Л — отверстияРис. 106. Схема корпусного перфоратора ПК- 1 — корпус; 2 — заряд; з — детонирующий шнур; -Л — отверстияРис. 105. Схема перфораторакумулятивного со стекляннымиоболочками ПКС (а) и разреззаряда с оболочкой (б).

Рис. 106. Схема корпусного перфоратора ПК- 1 — корпус; 2 — заряд; з — детонирующий шнур; -Л — отверстия

Рис. 106. Схема корпусного перфоратора ПК- 1 — корпус; 2 — заряд; з — детонирующий шнур; -Л — отверстия

1 — лента; ^ — заряд

дневную поверхность) каркасом может служить перфоратор кумулятивный со стеклянными или ситалловыми оболочками ПКС (рис. 105).

Корпусные кумулятивные перфораторы можно разбить на две подгруппы — многократного и однократного применения.

К первой подгруппе относятся перфораторы, которые используются многократно — после подъема из скважины и перезарядки. Схема типичного корпусного перфоратора ПК дана на

рис. 106. В прочном полом корпусе из качественной стали размещаются заряды, подрываемые детонирующим шнуром. Ось заряда должна совпадать с осью отверстий в корпусе, перекрываемых специальными дисками. Плотность заряжения перфоратора 1/40. Живучесть в зависимости от типа 10—40 залпов, однако на малых глубинах они разрушаются быстрее. Износ проявляется в постепенном раздутии и разрушении корпуса, что в конечном итоге приводит к образованию в нем трещин. Применяются перфораторы с 10 и 20 зарядами.

Корпусные кумулятивные перфораторы однократного использования ПКО и ПКОТ отличаются от ПК тем, что у них в качестве корпуса применяется труба, рассчитанная только на то, чтобы выдержать давление в зоне работы. Благодаря этому она при равном с ПК внешнем диаметре и большем, чем у ПК, внутреннем диаметре позволяет разместить большие по величине заряды. В перфораторах ПКОТ, рассчитанных для условий больших глубин, трубу дополнительно упрочняют, вставляя с небольшим зазором опорную трубу, которая используется также для крепления зарядов. Перфораторы ПКО и ПКОТ, несмотря на некоторые недостатки, наиболее целесообразно применять в скважинах со сложными условиями вскрытия пластов н на больших глубинах. На малых глубинах (при давлениях 50—150 кгс/см2) чрезмерно сильная деформация трубы корпуса перфоратора ПКО может привести к аварии.

Как уже отмечалось, в случае перепада давления, вызывающего движение жидкости из скважины в пласт, канал, созданный при перфорации, может быть засорен частицами, находящимися в растворе. К прострелу в тяжелых растворах, всегда чреватому засорением отверстий, прибегают при высоком пластовом давлении и наличии опасности неуправляемого фонтанирования скважины. Естественно, что с точки зрения повышения качества вскрытия желательно проводить его в условиях, когда сразу после образования отверстия начнется движение жидкости (газа) в скважину, причем в среде (нефть, вода), исключающей засорение пласта. Последнее возможно, если устье скважины герметизировано и она подготовлена к эксплуатации.

Для осуществления подобной перфорации может быть успешно использован одноразовый кумулятивный перфоратор ПНК-89, спускаемый на насосно-компрессорных трубах, хотя в принпипА можно применить и другие перфораторы. Перфоратор типа ПНК удобен и для работ в скважинах, имеющих большой наклон. Инициирование в нем осуществляется при помощи шарика, сбрасываемого в трубы, в ток прокачиваемой жидкости. В момент прохождения шариком взрывного устройства (рис. 107) давление,

действующее на шар 7, срезает предохранительный шплинт Зив конечном итоге вызывает движение ударника 3 и накол им капсюля детонатора напольного действия 4, взрыв которого возбуждает взрыв детонирующего шнура 5 и от него — взрыв зарядов ПНК. Инициирующее устройство применяется и в перфораторах ПКО. Поскольку устье герметизировано, то без каких-либо дополнительных операций скважина может быть введена в эксплуатацию, так как нет необходимости извлекать перфоратор.

При герметизированном устье перфорацию можно также осуществить, спуская перфоратор на кабеле в скважину через лубрикатор. Выполнение операции лимитируется наличием лубрикатора и его техническими характеристиками.

Кроме перфораторов для вскрытия пласта существует кумулятивный перфоратор для цементирования колонны ПК 103-10x4. При выстреле на небольшом участке он пробивает 40 отверстий (по четыре сдвинутых на 90° относительно друг друга в каждой из 10 горизонтальных плоскостей), обеспечивающих равномерное охватывание цементом трубы при выполнении изоляционных работ.

Пробивное действие кумулятивной струи зависит в первую очередь от размеров, конструкции и качества изготовления заряда. Поскольку форма заряда выбирается обычно на основании результатов серьезных исследований, то заряды перфораторов чаще всего имеют форму, близкую к оптимальной. Однако при их изготовлении возможны дефекты: неравномерная пропрессовка заряда, некачественное изготовление кумулятивной облицовки и другие, что может снизить их пробивное действие. На пробивное действие влияют и условия скважины, например, температура, изменяющая плотность ВВ заряда, а при длительном нахождении способствующая его ча-

Рпс. 107. Схема взрывного устройства перфоратора ПНК, спускаемого па насосно-компрессорных трубахРпс. 107. Схема взрывного устройства перфоратора ПНК, спускаемого па насосно-компрессорных трубахстачному разложению, и гидростатическое давление, уменьшающее диаметр пробиваемых отверстий.

Рпс. 107. Схема взрывного устройства перфоратора ПНК, спускаемого па насосно-компрессорных трубах

Рпс. 107. Схема взрывного устройства перфоратора ПНК, спускаемого па насосно-компрессорных трубах

Пробивную способность перфораторов определяют отстрелом зарядов на комбинированных мишенях, включающих преграды, которые встречает струя в скважине (стальной диск, имитирующий стенку обсадной трубы, диск из цемента, искусственный или

со 03адя оо сgWO/OJHnduо 0303 03о о35!к яKDа аЕ-<УzH0/0JMOQV=D Hdnо 0303 03иоСО030303Е-1cd ЧадogXdx ао 030303сосо"аго &адgHO/ОЛЯOSg=d Hdnо LQо СОооОО ООоОО ООгИЭ/01ЯOQV—d Hdnuoо оU0о ио 03о03ю03S 3 ад Я 2-я8W0/0JHо о U0о о иоо о о8 СОо о 03о о 00& с ия &я ад g С Ь" ас ВDo Xооо соО 00о о 03о иоф вJ *EVndue boobW00? Юо озО U0о U0о U0в и ф вg адпи чаднокоя вонквэ-go сГтэкепи иинптэнясоCD00700 СОсо7 со7 03007ОО7СОи ф вв в238ни •dJOKvnf дннжХауноО ОU0 оО0000U0 Оад а оад а оаКSео Ооадададоад ад Ия • о п •Ен- о •я •Я • я ф •Я . ад Я •о • я .я . ад Я •Я Е-Ф оф ус —я я03 03Ср о ЯО я ооадоф Я:Я 3фо1.во .о . яЕн . адо .с . я= КсЯ LO’Я £я КС2 н 3Я Ф>, Я ~ фЯ Л • яо • а о •я Ен • адо о .Й •Я о Я соОО« о ’ЯЙ Й^ Я —я яЯ О Я1 .Я а • Яо • ао • ян • адя о • я ко ,sR ' 3 . яЯ gSЯ 1— я а н Я я 5 я5 Ф & 2S' й ' я .с .Е- ф я - я о Я • ф ф *• \о =я й • я г Ен О►>>L—со 03адя оо сgWO/OJHnduо 0303 03о о35!к яKDа аЕ-<УzH0/0JMOQV=D Hdnо 0303 03иоСО030303Е-1cd ЧадogXdx ао 030303сосо"аго &адgHO/ОЛЯOSg=d Hdnо LQо СОооОО ООоОО ООгИЭ/01ЯOQV—d Hdnuoо оU0о ио 03о03ю03S 3 ад Я 2-я8W0/0JHо о U0о о иоо о о8 СОо о 03о о 00& с ия &я ад g С Ь" ас ВDo Xооо соО 00о о 03о иоф вJ *EVndue boobW00? Юо озО U0о U0о U0в и ф вg адпи чаднокоя вонквэ-go сГтэкепи иинптэнясоCD00700 СОсо7 со7 03007ОО7СОи ф вв в238ни •dJOKvnf дннжХауноО ОU0 оО0000U0 Оад а оад а оаКSео Ооадададоад ад Ия • о п •Ен- о •я •Я • я ф •Я . ад Я •о • я .я . ад Я •Я Е-Ф оф ус —я я03 03Ср о ЯО я ооадоф Я:Я 3фо1.во .о . яЕн . адо .с . я= КсЯ LO’Я £я КС2 н 3Я Ф>, Я ~ фЯ Л • яо • а о •я Ен • адо о .Й •Я о Я соОО« о ’ЯЙ Й^ Я —я яЯ О Я1 .Я а • Яо • ао • ян • адя о • я ко ,sR ' 3 . яЯ gSЯ 1— я а н Я я 5 я5 Ф & 2S' й ' я .с .Е- ф я - я о Я • ф ф *• \о =я й • я г Ен О►>>L—естественный керн). В табл. 23 приведены размеры каналов, образованных при выстреле из разных перфораторов на мишени,, включающей 10-миллиметровый стальной диск, 25-миллиметровый цементный слой и керны горной породы прочностью 450 и 250 кгс/см2. Длина каналов измерялась от наружной поверхности стального диска, диаметр дается и в стали и в породе. Если известны длина ZCT и плотность рст кумулятивной струи, то пробитие в преграде А из материала плотности рп можно оценить по формуле А = ZCT VРст/Рп- Формула в сочетании с экспериментальными данными о пробивном действии того или иного эаряда по преградам дает материал для качественной оценки ожида- \ емых результатов прострела. Предложен ряд формул для расчета пробивного действия струи, но они имеют приближенный характер.

со 03

ад

я о

о с

gWO/OJH

ndu

о 03

03 03

о о

3

5!

к я

KD

а а

Е-

<У

zH0/0JM

OQV=D Hdn

о 03

03 03

ио

СО

03

03

03

Е-1

cd Ч

ад

ogXdx а

о 03

03

03

со

со"

а

го &

ад

gHO/ОЛЯ

OSg=d Hdn

о LQ

о СО

о

о

ОО ОО

о

ОО ОО

гИЭ/01Я

OQV—d Hdn

uo

о о

U0

о ио 03

о

03

ю

03

S 3 ад Я 2-я

8W0/0JH

о о U0

о о ио

о о о

8 СО

о о 03

о о 00

& с и

я &

я ад g С Ь" ас В

Do X

о

о

о со

О 00

о о 03

о ио

ф в

J *

EVndue boobW

00

? Ю

о оз

О U0

о U0

о U0

в и ф в

g ад

пи чаднокоя вонквэ

-go сГтэкепи иинптэня

со

CD

00

7

00 СО

со

7 со

7 03

00

7

ОО

7

СО

и ф в

в в

238

ни •dJOKvnf дннжХаун

о

О О

U0 о

О

00

00

U0 О

ад а о

ад а о

а

К

S

ео О

о

ад

ад

ад

о

ад ад И

я • о п •

Ен- о •

я •

Я • я ф •

Я . ад Я •

о • я .

я . ад Я •

Я Е-

Ф о

ф у

с —

я я

03 03

С

р о Я

О я о

о

ад

о

ф Я

:Я 3

ф

о

1.

в

о .

о . я

Ен . ад

о .

с . я

= К

с

Я LO

’Я £

я К

С2 н 3

Я Ф

>, Я ~ ф

Я Л • я

о • а о •

я Ен • ад

о о .

Й •

Я о Я со

ОО

« о ’Я

Й Й^ Я —

я я

Я О Я

1 .

Я а • Я

о • а

о • я

н • ад

я о • я к

о ,

sR ' 3 . я

Я gS

Я 1— я а н Я я 5 я

5 Ф & 2

S' й ' я .

с .

Е- ф я - я о Я • ф ф *• \о =я й • я г Ен О

►>>L—

со 03

ад

я о

о с

gWO/OJH

ndu

о 03

03 03

о о

3

5!

к я

KD

а а

Е-

<У

zH0/0JM

OQV=D Hdn

о 03

03 03

ио

СО

03

03

03

Е-1

cd Ч

ад

ogXdx а

о 03

03

03

со

со"

а

го &

ад

gHO/ОЛЯ

OSg=d Hdn

о LQ

о СО

о

о

ОО ОО

о

ОО ОО

гИЭ/01Я

OQV—d Hdn

uo

о о

U0

о ио 03

о

03

ю

03

S 3 ад Я 2-я

8W0/0JH

о о U0

о о ио

о о о

8 СО

о о 03

о о 00

& с и

я &

я ад g С Ь" ас В

Do X

о

о

о со

О 00

о о 03

о ио

ф в

J *

EVndue boobW

00

? Ю

о оз

О U0

о U0

о U0

в и ф в

g ад

пи чаднокоя вонквэ

-go сГтэкепи иинптэня

со

CD

00

7

00 СО

со

7 со

7 03

00

7

ОО

7

СО

и ф в

в в

238

ни •dJOKvnf дннжХаун

о

О О

U0 о

О

00

00

U0 О

ад а о

ад а о

а

К

S

ео О

о

ад

ад

ад

о

ад ад И

я • о п •

Ен- о •

я •

Я • я ф •

Я . ад Я •

о • я .

я . ад Я •

Я Е-

Ф о

ф у

с —

я я

03 03

С

р о Я

О я о

о

ад

о

ф Я

:Я 3

ф

о

1.

в

о .

о . я

Ен . ад

о .

с . я

= К

с

Я LO

’Я £

я К

С2 н 3

Я Ф

>, Я ~ ф

Я Л • я

о • а о •

я Ен • ад

о о .

Й •

Я о Я со

ОО

« о ’Я

Й Й^ Я —

я я

Я О Я

1 .

Я а • Я

о • а

о • я

н • ад

я о • я к

о ,

sR ' 3 . я

Я gS

Я 1— я а н Я я 5 я

5 Ф & 2

S' й ' я .

с .

Е- ф я - я о Я • ф ф *• \о =я й • я г Ен О

►>>L—

В табл. 23 для примера приведены некоторые сведения об отдельных перфораторах, применяемых в стране.

на призабойную зонуна призабойную зону§ 4. Взрывные методы воздействия

на призабойную зону

на призабойную зону

Работы в скважинах на воду. Подземные воды — распространенное и одно из важнейших полезных ископаемых, разведка и добыча которого в массовых масштабах ведутся повсеместно. Скважины на воду имеют глубину от нескольких десятков до нескольких сотен метров, однако чаще всего 40—250 м. К сожалению, как бурение, так и особенно эксплуатация скважин выполняются не всегда квалифицированно, в силу чего нередки случаи, когда они долго осваиваются и вступают в строй с заниженными дебитами, | в предельных случаях оказываясь безводными. Снижение дебита может иметь место и в ходе эксплуатации, в первую очередь вследствие засорения фильтра осадками, выпадающими из жидкости, что, в частности, может быть связано с неправильными режимами отбора воды из пласта. Обеспечение нормальных дебитов скважин — i большая народнохозяйственная задача и может быть прямо свя- [ зано с производственной деятельностью геофизической партии.

Заметим, что геофизики имеют большие возможности оперативно увеличить дебит скважины, не прибегая к сложным и дорогостоящим ремонтам их.

Несколько слов о конструкции скважин на воду. Когда водоносными являются пески, продуктивный пласт обычно пере- । крывается фильтром с проволочной или сетчатой поверхностью. 'Благодаря этому песчинки, выносимые водой из пласта, задержи-

*ваются в районе фильтра, обеспечивая нормальную эксплуа-

I тацию скважины. Но существует возможность засорения фильтрующей поверхности частицами глины, сбитыми с поверхности ствола скважины в процессе спуска фильтра или вынесенными из пласта при откачках, а также (в ходе эксплуатации) осадком, вы-

падающим из воды [СаСО3, MgCO3, Fe(OH)3 и другие] в результате нарушения термодинамического равновесия в жидкости. Осадок по структуре напоминает накипь, отлагающуюся в виде корок на стенках кипятильников и других устройств, которые используются для нагрева воды, довольно трудно удаляемую со стенок. Он прочен, но хрупок и хорошо дробится при ударе. Что же касается засорения фильтра глинистыми частицами, то эта корка при хороших изолирующих свойствах обладает малой прочностью, хотя способна упрочняться со временем. Поскольку засорение может затрагивать и породу, примыкающую к фильтру, то разглинизация скважин часто усложняется. Чтобы не спутать естественный низкий дебит эксплуатируемой скважины с низким дебитом, определяемым засорением фильтра, нужно знать поведение скважины в ходе эксплуатации, гидрохимический состав вод, изменение статического уровня; желательно также располагать данными о поведении соседних скважин. Если снижение дебита шло параллельно с уменьшением статического уровня в скважине, то, естественно, правильней искать причину уменьшения дебита в истощении водоноса.

Для очистки фильтров скважин на воду хорошо использовать торпеду из детонирующего шнура, удаляя осадок, забивший поверхность фильтра и частично пласт и мешающий нормальному продвижению жидкости в скважину. Особенность работы заключается в том, что, разрушая и удаляя осадок, нужно во избежание аварии гарантировать сохранность всех элементов конструкции скважины. Наиболее слабым звеном фильтров обычно является сетка или проволока, прочность которых и определяет заряд торпеды (число ниток детонирующего шнура). При проволочном фильтре величина заряда зависит от диаметра проволоки, при сетчатом — от параметров сетки. Как правило, сетчатые фильтры менее прочны, и заряд ограничивают одним шнуром. Обычно он обеспечивает хорошее качество очистки фильтра и не требует усиления. Лишь в проволочных фильтрах с проволокой диаметром до 3 мм можно использовать заряд в 2—3 шнура. Следует иметь в виду, что повторное применение взрыва в одном и том же фильтре может легко привести к его разрушению: эффект действия двух взрывов близок к действию одного суммарного заряда.

При выполнении операции заряд устанавливают по центру фильтра, используя простейшие центраторы, а узел инициирования поднимают на 0,5—1,0 м выше фильтра. Это делается для сохранения фильтра от повреждений. Вынос капсюля связан с тем, что на участке его расположения, хотя и небольшого по протяженности, заряд оказывается эквивалентным нескольким шнурам.

При взрыве в окружающей среде распространяется ударная волна с давлением во фронте в момент подхода к фильтру порядка 1000 кгс/см2. Ее резкий удар разбивает осадок. В начальный момент (рис. 108, точка 4) продукты взрыва имеют очень высоко 240

давление и стремятся расшириться1. По мере расширения давления в них падает. На участке АВ, где давление выше гидростатического (пунктирная линия рс), расширение пузыря будет ускоряться и в точке В скорость достигнет максимума. По инерции расширение продолжится до тех пор, пока жидкость не израсходует весь полученный запас кинетической энергии. В момент остановки движения давление в пузыре будет характеризоваться точкой С и окажется ниже гидростатического. В течение всего этого времени (участок АС) жидкость, вытесняемая

из ствола, интенсивно удаляется через фильтр, помогая уносу частиц с его поверхности. На участке CD происходит «схлопывание»

Рис. 109. Фотография фильтра до и после взрыва и зависимость дебита от времени для одной из сква- жищ торпедированных торпедой ТДШРис. 109. Фотография фильтра до и после взрыва и зависимость дебита от времени для одной из сква- жищ торпедированных торпедой ТДШРис. 108. Схема действия взрыва при очистке фильтра водяной скважиныРис. 108. Схема действия взрыва при очистке фильтра водяной скважиныпродуктов взрыва, в конце которого давление в пузыре снова окажется выше давления в скважине. В этом интервале будет наблюдаться движение жидкости из затрубного пространства в ствол.

Рис. 109. Фотография фильтра до и после взрыва и зависимость дебита от времени для одной из сква- жищ торпедированных торпедой ТДШ

Рис. 109. Фотография фильтра до и после взрыва и зависимость дебита от времени для одной из сква- жищ торпедированных торпедой ТДШ

Рис. 108. Схема действия взрыва при очистке фильтра водяной скважины

Рис. 108. Схема действия взрыва при очистке фильтра водяной скважины

Фазы расширения н сжатия с затухающей амплитудой давлений повторяются несколько раз. Изменяющееся в ходе пульсации направление движения жидкости (оно показано стрелками на верхней части рисунка) расшатывает осадок на фильтре, способствуя его сбрасыванию в скважину и в затрубное пространство.

На рис. 109 приведена фотография заросшего осадком фильтра одной из скважин в Горьковской области. Скважина полностью восстановила дебит. Поскольку в скважинах фильтры были прочные (проволочные), а зарастание их осадками протекало быстро (за 2—3 года), в некоторых взрыв повторялся многократно.

1 Подробно пульсация продуктов взрыва в воде рассмотрена в главе 111.

16 Заказ 419

В верхней части рис. 109 приведен график изменения дебита одной из скважин во времени. Увеличение дебита при взрывной очистке фильтров водозаборных скважин в среднем в 3—4 раза подтверждено на тысячах скважин. Вводились в эксплуатацию скважины, считавшиеся безводными. Довольно редкие неудачи были связаны с неправильным выбором объекта, неверной оценкой состояния фильтра (его механических характеристик) и неправильной технологией взрывных работ в скважинах.

Несколько слов об очистке поверхности породы в нефтяных скважинах. Метод применяется сравнительно редко, в первую очередь в низкодебитных скважинах. Среднее увеличение дебита там, где зти работы эффективны, 25—40%.

Использование больших зарядов. Большие заряды используются главным образом для того, чтобы повлиять на проницаемость призабойной зоны путем создания трещин в породе вокруг ствола. Естественно, что чем больше удельный заряд торпеды (на 1 м длины ствола), тем на большую протяженность трещин (при прочих равных условиях) можно рассчитывать. Торпедирование можно разбить на следующие виды: 1) относительно небольшими зарядами, не требующими принятия специальных мер защиты скважины от действия ударных волн (к ним можно отнести торпедирование с целью вскрытия пласта); 2) большими фугасными зарядами (торпедами Т1ПБ); 3) внутрипластовые и 4) ядерные взрывы.

Остановимся на влиянии изменения проницаемости призабойной зоны при взрыве на дебит скважины. В идеальном пласте с достаточно большим радиусом контура питания удвоение дебита скважины диаметром 200 мм грубо потребует увеличения е е диаметра до 15 м, утроение — до 50—80х. Конечно бурение таких скважин — бессмыслица. В трещиноватых породах зависимость носит иной характер, и увеличение дебита достигается легче. Однако всё вышесказанное относится к идеальному пласту. В процессе бурения порода вокруг ствола часто засоряется настолько, что проницаемость участка, прилегающего к стволу, сводится к минимуму и лимитирует движение нефти или газа. Хотя протяженность этого барьера измеряется обычно сантиметрами или десятками сантиметров, перерезание его каналом — отверстием, трещиной или просто удаление путем разрушения может изменить дебит скважины на порядки. Таким образом, перед взрывными методами воздействия на призабойную зону ставятся разные задачи, зависящие от условий, действующих в скважине.

Радиусы трещин гт и каверн гк при торпедировании зависят от величины взрываемого заряда, приходящегося на единицу длины ствола скважины, и энергии ВВ (радиусы трещины и

нено по формуле QrJQriнено по формуле QrJQriбыть оце- питания.быть оце- питания.1 Отношение дебитов скважины QnlQri радиусов гг и г2 может

нено по формуле QrJQri

нено по формуле QrJQri

быть оце- питания.

быть оце- питания.

=где ^о — РаДиУс контура

Ко!их гг

каверны пропорциональны диаметру заряда), свойств породы и гидростатического давления. Торпедируют только в твердых породах, в рыхлых, с хорошей проницаемостью делать зто практически бессмысленно.

Очень часто с торпедированием связывают большие надежды, основываясь, в частности, на опыте взрывных работ на дневной поверхности. Но, как показали исследования, на характер действия взрыва и в первую очередь на радиус зоны трещинообразо- вания сильно влияет (в сторону ослабления) давление. Вот почему торпедирование водозаборных скважин (обычно неглубоких, с малым давлением), проводимое для увеличения дебита в том случае, когда водовмещающие породы твердые, почти всегда дает высокий эффект, поскольку образующиеся трещины имеют достаточную протяженность даже при взрывных относительно небольших зарядов. На глубинах в несколько километров нужный эффект часто не достигается. Чем глубже скважина, тем сложнее получить высокий технологический эффект от торпедирования с целью изменения проницаемости призабойной зоны.

Поскольку при взрыве в трубах в заполняющей их жидкости распространяется сильная ударная волна с малым коэффициентом затухания (труба — хороший волновод), заряд массой более 5 кг при торпедированиях, если используются мощные ВВ типа гексогена, следует применять с осторожностью. При использовании больших зарядов бывают случаи повреждения труб вдали от точки взрыва, если в ходе распространения волна встречает ослабленное место (например, корродированный или незацемен- тированный участок трубы). В необсаженной скважине волна по стволу распространяется с большим затуханием, поскольку неровные стенки скважины создают своеобразный «глушитель», поэтому минимальный заряд в этом случае может быть взят большим.

Самостоятельное значение имеет применение торпед ТШБ (торпеда из шашек больших) в необсаженных, предпочтительно незаконченных бурением скважин, с целью увеличения проницаемости призабойной зоны пласта, представленного твердыми породами. Разрушение обсадной колонны делает при взрыве таких торпед практически невозможным последующую проработку интервала торпедирования, поэтому они и не применяются в обсаженных скважинах. Наличие бурового оборудования облегчает освоение скважин после взрыва.

Для торпедирования используют цилиндрические шашки из сплава тротил—гексоген 50/50 диаметром 126, 166, 206, 236 мм (оболочка 6 мм), длиной 250 и 500 мм с центральным отверстием, предназначенным для сборки заряда на кабель (трос). Часть шашек

Рис. 110. Схема установки торпеды ТШБ в скважине. J — заряд; 2 — взрыватель; 3,— цементный мостРис. 110. Схема установки торпеды ТШБ в скважине. J — заряд; 2 — взрыватель; 3,— цементный мостченно, оно вытесненоченно, оно вытесненоимеет второе отверстие большего диаметра для взрывателя замедленного действия, размещаемого в нем и снабженного часовым механизмом. Обычно в торпеде замедление устанавливаются на 3—4 сут, необходимое для спуска торпеды в скважину и установки над ней моста. Конструкция взрывателя обеспечивает двойное предохранение. Взрыватель способен сработать (ставится в боевое положение) только при давлении, превышающем 20 кгс/см2, и выводится из него при снижении давления. Длина торпеды ТШБ определяется мощностью пласта. Естественно, что для получения максимально большого радиуса трещин целесообразно применять заряды максимального диаметра.

Рис. 110. Схема установки торпеды ТШБ в скважине. J — заряд; 2 — взрыватель; 3,— цементный мост

Рис. 110. Схема установки торпеды ТШБ в скважине. J — заряд; 2 — взрыватель; 3,— цементный мост

ченно, оно вытеснено

ченно, оно вытеснено

Чтобы избежать повреждений ствола вне зоны”взрыва, над торпедой ставят цементный мост, минимальная высота Н которого в зависимости от массы заряда G может быть рассчитана по формуле h = И/G. Но, опасаясь дефектов в изготовлении, мост делают обычно в 2—4 раза больше, но не менее 25— 30 м. Взрыв регистрируется сейсмоприемниками. После взрыва мост разбуривают, интервал прорабатывают, и после спуска и цементирования колонны пласт эксплуатируют открытым забоем. На рис. 110 дан общий вид торпеды, спущенной в скважину.

Некоторые элементы работы с торпедой ТШБ (например, система подрыва) являются общими и для других методов взрывных работ (например, при внутрипластовом взрыве).

Торпедирование большими зарядами широко применялось в 50-х годах, сейчас используются ограни- гидроразрывом. Однако в условиях,

кргда выполнение гидроразрыва по тем или иным причинам затруднено, такое торпедирование на умеренных глубинах оправданно, поскольку позволяет правильнее оценить продуктивность пласта. Так как работа эта достаточно сложная, для ее выполнения, по крайней мере в первый

раз, следует приглашать специалистов, имеющих практический опыт.

В настоящее время активно изучается применение внутри- пластовых взрывов и использование для их проведения пастообразных взрывчатых систем. Применение жидких и пастообразных ВВ, задавливаемых в поры и трещины пласта и там взрываемых, позволяет увеличить радиус действия взрыва; кроме того, поскольку большая часть ВВ взрывается в пласте, упрощает защиту скважины от ударных волн взрыва. Однако эти методы пока еще не настолько отработаны, чтобы говорить о их широких перспективах. Применение пастообразных взрывчатых систем позволяет улучшить технологию торпедирования скважин большими зарядами благодаря более успешному решению многих вопросов, из которых одним из первых следует назвать экономику процесса, так как взрывчатые системы, предлагаемые к использованию, базируются на дешевых веществах. По существу, в случае использования жидких и пастообразных ВВ основу их должны составлять массово выпускаемые дешевые окислители.

С точки зрения эффективности особый интерес будет представлять задавливание ВВ в трещины с целью образования в породе вокруг них после взрыва дополнительных трещин.

Дальнейшее увеличение масштабов процесса приводит к ядер- ным взрывам. При рассмотрении результатов их применения1 следует учитывать не только то, что на определенных расстояниях порода вокруг будет разбита и улучшится проницаемость, но и то, что на значительном протяжении порода прогреется, обеспечив частичную возгонку находящихся в ней продуктов и изменение вязкости жидкостей. Это является новым качеством в использовании взрыва. Раньше при рассмотрении его действия на окружающую среду тепловое воздействие не учитывалось. Говоря о ядерном взрыве, нужно помнить, что при неудачном стечении обстоятельств он может сопровождаться радиоактивным загрязнением содержащихся в пласте нефти, газа и воды.

Разрыв пласта пороховыми газами. Внедрение гидравлического разрыва пласта сильно сократило объем торпедирования скважин большими зарядами. Но" обычная технология гидроразрыва громоздка, требует, в частности, применения значительного числа цементировочных агрегатов для создания давления в скважинах. В разведочных скважинах, удаленных от районов массового бурения, выполнение гидровзрыва становится проблемой. В этой связи интерес представляет применение разрыва пласта давлением пороховых газов, создаваемым в специальных устройствах — пороховых генераторах путем сжигания порохов.

‘Если известно, что в конкретных условиях скважины заряд тротила массой GT образует в породе трещины радиусом гт, то из законов подобия радиус зоны трещиноватости гя при взрыве ядерного заряда с тротиловым эквивалентом 0я определится как гя = гт з/"6я/6т.

Рис. 111. Схема аппарата АСГ. 1 — корпус;2 — зарядРис. 111. Схема аппарата АСГ. 1 — корпус;2 — заряд

Рис. 111. Схема аппарата АСГ. 1 — корпус;

2 — заряд

Рис. 111. Схема аппарата АСГ. 1 — корпус;

2 — заряд

Операция выполняется следующим образом. В скважину спускают аппарат скважинного гидроразрыва (АСГ) (рис. 111) (корпусной или бескор- пусной вариант, последний эффективней) и устанавливают в заданном интервале против продуктивного пласта. После поджигания порохового заряда начинается активное выделение газов, создающее зону повышенного (по сравнению с гидростатическим) давления в скважине и обеспечивающее условия для разрыва пласта. При зтом не требуется ограничивать участок ствола пакерами, как при обычном гидроразрыве, поскольку кратковременность процесса и инерция столба жидкости обеспечивают условия для роста давления в зоне работы аппарата.

Несколько слов о самом процессе и особенностях применения аппарата. Если при обычном гидроразрыве образовавшуюся трещину необходимо заполнять песком, чтобы она не сомкнулась, то при разрыве пласта пороховыми газами высокое давление, обеспечивающее образование трещины, одновременно вызывает пластическую деформацию породы, в результате чего после снятия давления трещина полностью не закроется. Естественно, что последнее может иметь место только в прочных породах, а в сильно глинизированных с высокой пластичностью трещина сомкнется. Поэтому, как впрочем и при применении других методов воздействия на пласт, большое значение для повышения эффективности разрыва пласта имеет выбор объекта.

Рассмотрим в схематизированном виде работу порохового генератора давления АСГ в скважине.

Пороховой заряд массой G при сгорании за время Ат образует V нормальных (при давлении 1 кгс/см2) литров газа, занимающих в скважине GV

объем, равный —г-д- , где р2 — гидростатическое давление, Ар — подъем давления в жидкости за счет работы генератора. Объем —, который

занимают газы в стволе, к концу горения порохового

заряда возникает за счет сжатия жидкости волной сжатия, образованной истечением пороховых газов (5 — сечение скважины, с — скорость звука в воде и т — модуль сжатия воды). Часть объема образуется благодаря тому, что некоторое количество жидкости отфильтруется в пласт Еф, а также за полнит трещину Ет. Кроме того, газы заполняют объем, занима емый ранее пороховым зарядом (Е3).

Таким образом, качественно зависимость объема жидкости, пошедшей на образование трещины, от других факторов, сопровождающих сгдрание порохового заряда в скважине, будет выглядеть следующим образом:

__ GV/ 2Sc Ат ^p"

т ” Рг + А/>k mИф

Для образования трещины в зависимости от свойств породы - и параметров скважины должно выполняться и второе условие — рг + Ар ^ (0,8 ч-1,2) ргн, где ргн — горное давление в зоне разрыва. Из них следует, что эффективности разрыва пласта способствуют значительный пороховой заряд, относительно небольшая глубина и малый диаметр скважины, низкая проницаемость породы, сравнительно небольшое время горения заряда. Опыт показал, что разрыв пласта успешно осуществляется в твердых породах до глубин 2000—3000 м, причем прирост давления в зоне работы аппарата достигает 300—500 кгс/сма.

Глава VIII

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

На территории СССР проведение любых взрывных работ регламентируется «Едиными правилами безопасности при ведении взрывных работ» (ЕПБ), обязательными для всех министерств, ведомств, организаций и предприятий, ведущих взрывные работы. Эти правила охватывают общие вопросы, относящиеся к руководству взрывными работами и проведению последних, определяют порядок получения, транспортировки, хранения и использования взрывчатых материалов, а также общие требования безопасности, которые необходимо выполнять при обращении с ВМ и подготовке зарядов. В правилах сформулированы требования, которые необходимо соблюдать при проведении отдельных видов взрывных работ (в подземных выработках, на поверхности земли, в воде) для обеспечения безопасности персонала взрывных бригад, лиц, которые могут быть поблизости, а также различных сооружений.

Составной частью ЕПБ являются инструкции, которыми определены порядок получения разрешений на право производства взрывных работ, приобретение, транспортировку, хранение ВМ, примерные программы обучения персонала, допускаемого к производству взрывных работ или участию в них, безопасные расстояния для различных видов взрывных работ, формы журналов и книг учета движения ВМ на складах и т. п. За нарушение ЕПБ и инструкций виновные привлекаются к ответственности, вплоть до уголовной.

«Единые правила безопасности при ведении взрывных работ» являются основным документом, которым руководствуются при расследовании несчастных случаев, связанных с применением ВМ.

ЕПБ систематически переиздаются, при каждом переиздании из них исключаются параграфы, утратившие свое значение, и включаются новые, отображающие изменившиеся условия проведения взрывных работ. Изменяется и структура ЕПБ.

Новые виды взрывчатых материалов, оборудования, связанного с проведением взрывных работ, разрешается применять на основании журнальных постановлений Госгортехнадзора. Для постановления необходимо заключение одного из научно-ис- ледовательских институтов, занимающегося вопросами техники безопасности при взрывных работах в той или иной области их применения (ВНИИГефизика для геофизических работ), проведение промышленных испытаний и наличие инструкции по применению новой разработки, согласованной с ЦК соответствующего профсоюза и утвержденной руководством министерства. Предварительное изучение инструкции обязательно для каждого лица, приступающего к использованию нового ВМ, оборудования и т. д.

Общие положения по ведению взрывных работ

Предприятие обязано иметь разрешение (право) на производство взрывных работ, проект этих работ (при многократном проведении однотипных работ — паспорт), склад ВМ, транспорт для перевозки ВМ к местам работы, персонал для руководства взрывными работами и их выполнения.

Для взрывных работ можно использовать только те ВМ, которые разрешены к применению (их список публикуется ежегодно Межведомственной комиссией по взрывному!делу). Тара, в которую упаковано ВВ, кроме его наименования, индекса завода- изготовителя, номера партии, массы ВВ и даты изготовления (месяц, год), должна иметь цветную полосу или оболочку соответствующего цвета, характеризующего область применения данного ВВ. Так, например, отличительный цвет ВВ, допущенных для взрывания только при открытых горных работах, — белый, термостойким ВВ, допущенным к применению в нефтяных и газовых скважинах, присвоен черный цвет.

По степени опасности при хранении и перевозке все ВВ подразделены на пять групп.

Взрывчатые вещества с содержанием жидких нитроэфиров более 15%, нефлегматизированный гексоген, тетрил;

Аммиачно-селитренные ВВ, тротил и его сплавы с другими нитросоединениями, ВВ с содержанием жидких нитроэфиров менее 15%, флегматизированный гексоген, детонирующий шнур (ДШ).

Пороха дымные и бездымные.

Детонаторы.

Перфораторные заряды и снаряды с установленными в них взрывателями.

Взрывчатые материалы каждой группы должны храниться и перевозиться раздельно (вместе можно хранись ДШ и детонаторы). Исключения допускаются для небольших количеств ВВ при доставке их с базисного склада в расходный или с расход-

ного к месту^работ. Каждый раз для этого требуется разрешение руководителя взрывных работ. Это положение не распространяется на автовзрывпункты, конструкция которых предусматривает перевозку ВВ и СВ на одной автомашине, и на кладовые зарядных мастерских, обслуживающих прострелочно-взрывные работы в скважинах. В такой кладовой разрешается хранить в небольших количествах несколько видов ВМ, размещенных в отдельных ящиках.

Все ВМ постоянно требуют осторожного обращения, их нельзя * бросать, ударять, сверлить (например для расширения гнезда под электродетонатор). Столы, на которых выполняются работы с'ВМ, должны быть покрыты динолеумом или резиновым ковриком, иметь бортики, предотвращающие падение ВМ.

В помещениях, где хранятся ВМ или производятся работы с ними, не допускается наличие выступающих или видимых гвоздей, применение стального инструмента, который может создать искру. Запрещается курить и применять открытый огонь на расстоянии менее 100 м от местонахождения ВМ. При работе с ВМ и при нахождении в хранилище нельзя иметь при себе оружие, спички, зажигательные приборы. На выхлопные трубы автомашин, перевозящих ВМ, помещают искрогасители. Применяемые j источники тока не должны иметь обнаженных проводов; источники, ] используемые для электровзрывания, должны быть оборудованы замками, которые разрывают электрическую цепь. Ключ от источ- ; ника тока должен находиться только у взрывника.

Взрывные работы должны выполняться под руководством j лица, выделенного®приказом из числа лиц, получивших соответ- I ствующую подготовку. Производство взрывных работ разрешено липам, имеющим «Единую книжку взрывника» и прошедшим необходимую стажировку. Лица, имеющие право руководства взрывными работами, могут быть допущены к выполнению этих работ только после сдачи соответствующих экзаменов и получения «Единой книжки взрывника». В «Единой книжке взрывника» отмечается, какие виды взрывных работ может производить ее владелец. Чтобы быть допущенным к другому для него виду взрывных работ, взрывник должен сдать экзамен квалификационной комиссии, получить в своей «Единой книжке» соответствующую отметку и пройти стажировку. Повторные проверки знаний взрывников производятся на предприятиях систематически — не реже одного раза в два года. Председателем проверочной комиссии является представитель Госгортехнадзора. Лица, не сдавшие испытаний, лишаются звания взрывника и могут быть допущены к повторным экзаменам не ранее чем через 3 месяца.

Руководитель взрывных работ обязан инструктировать лиц, занятых на этих работах, о мерах предосторожности. Всем рабочим, непосредственно участвующим в проведении взрывных работ, под расписку выдаются инструкции по безопасным методам их ведения.

Взрывчатые материалы должны использоваться только по прямому назначению, а хранение и обращение с ними (включая перевозку) может быть поручено только технически подготовленному персоналу. Соблюдение этих условий контролируется органами горного надзора и милиции. Первые определяют техническую необходимость проведения взрывных работ, обоснованность заявок на ВМ, наличие исполнителей требуемой квалификации и соблюдение условий хранения, исключающих порчу ВМ. Органы милиций контролируют, в какой мере предприятие соблюдает безопасность при хранении и перевозках ВМ и обеспечивает надлежащую охрану ВМ на месте и на складах.

Для обеспечения учета движения и использования ВМ установлены единые формы документов. «Книга учета прихода и расхода ВМ» служит для учета движения ВМ на складе, «Книга учета выдачи и возврата ВМ» позволяет контролировать расход ВМ взрывниками, обслуживаемыми одним расходным складом. «Наряд-путевка» является основным документом, учитывающим расход ВМ отдельным взрывником.

Операции, связанные с подготовкой к проведению взрывных работ на новом участке (где еще нет склада ВМ), выполняются в определенной последовательности.

ГосгортехнадзорПредприятиеОрган милиции

Представляет

Госгортехнадзору документацию [см. «Инструкцию о порядке получения разрешения на право производства взрывных работ», а также «Свидетельство на приобретение и перевозку ВМ» см. ЕПБ)].

Выдает разрешение на производствовзрывных работ.

Строит склад

ВМ.

Создает комиссию по приемке склада из представителей:

данного предприятия;

Госгортехнадзора или Горно-технической инспекции (ГТИ);

6. Регистрирует постоянный (или временный) склад ВМ.6. Регистрирует постоянный (или временный) склад ВМ.9. Выдает свидетельство на право приобретения ВМ.9. Выдает свидетельство на право приобретения ВМ.

6. Регистрирует постоянный (или временный) склад ВМ.

6. Регистрирует постоянный (или временный) склад ВМ.

9. Выдает свидетельство на право приобретения ВМ.

9. Выдает свидетельство на право приобретения ВМ.

милиции;

пожарного надзора.

Комиссия составляет акт о приемке склада.

Направляет заявление в Госгортехнадзор о выдаче свидетельства на право приобретения ВМ.

Обращается в милицию за разрешением на приобретение ВМ.

Получает копию акта.

7. Выдает разрешение на право хранения ВМ (на срок до 3 лет).

Выдает разрешение на приобретение ВМ.

Выдает разрешение на перевозку ВМ (в случае необходимости).

Примечание. Если перевозка от поставщика производится железнодорожным, водным или воздушным транспортом, разрешение органа милиции на перевозку не требуется.

Разрешение на перевозку ВМ (автомобильным, гужевым транспортом) требуется: 1) от поставщика на склад; 2) со склада одного ведомства на склад другого ведомства; 3) с одного склада организации на другой склад той же организации, если они находятся в разных областях (краях, республиках).

В пределах одной области перевозка ВМ с одного склада на другой, принадлежащий той же организации, осуществляется по наряду-накладной, выданной руководителем (главным инженером) предприятия. При этом разрешения милиции не требуется.

Взрывник для выполнения взрывных работ получает ВМ со склада по наряду-путевке, подписанной руководителем взрывных работ предприятия (партии). Оставшиеся после работ ВМ взрывник сдает на склад, о чем делается отметка в наряде-путевке.

§ 2. Хранение и перевозка взрывчатых материалов

С учетом потенциальной опасности ВМ требуется обеспечивать их надлежащее хранение для предотвращения порчи и хищения.

Взрывчатые материалы должны храниться только на специальных складах, в кладовых. Хранилища ВМ должны запираться на замок и опломбироваться или опечатываться. Ключи, печати

должны храниться у заведующего складом.

Емкость склада определяется предприятием совместно с органами милиции, которая выдает письменное разрешение на право хранения ВМ в складе (кладовой, сейфе) с указанием предельной емкости склада; дает согласие на предполагаемый руководителем предприятия проект охраны склада (вид охраны, состав ее, количество и дислокация постов, порядок охраны, применяемые технические средства, необходимость телефонной связи и др.); осуществляет контроль за состоянием охраны складов ВМ.

Склады ВМ подразделяются на базисные и расходные. Базисные склады могут состоять из неограниченного числа хранилищ. На базисном складе нельзя распаковывать ВМ и выдавать их взрывникам, отсюда отпускают ВМ в заводской таре на расходные склады. Установлена предельная емкость отдельных хранилищ базисного склада, зависящая от группы ВМ по степени опасности. В расходных складах производятся выдача ВМ взрывникам для выполнения взрывных работ и получение от них неиспользованных ВМ.

Хранилища складов (базисных и расходных) могут быть поверхностные, полууглубленные — погруженные в грунт частично, до карниза здания, углубленные — при наличии над потолком хранилища толщи грунта до 15 м, подземные — при толщине грунта над хранилищем более 15 м.

Углубление хранилищ уменьшает опасные расстояния по дей-

Таблица 24

Количества ВМ, допускаемые для хранения на расходных складах

Тип склада

Всего ВВ, т

о 2 В

О 2 № о

So о 2

FrtftH

дш, тыс. м

При совместном хранении ВВ и СВ

Постоянный

В том числе в одном хранилище Временный

В том числе в одном хранилище Кратковременный

120

60

75

25

54

250

100

75

100

3 т ВВ и 10 000

ЭД — в разных помещениях хранилища

В том числе в одном хранилище

18

25

3 т ВВ и 10 000 ЭД

Суда

10

30

2

6 т ВВ и 10 000 ЭД

Шалаш, пещера

—

—

'—

3 т ВВ и 10 000 ЭД

Автомобиль — передвижной склад

—

—

2/з грузоподъемности 5000 ЭД и необходимое количество ДШ

Площадки для кратковременного (до 60 дней) хранения

По потребности

—

ствию воздушной волны и по детонации. Для этой же цели служат валы, которые возводят вокруг поверхностных хранилищ. Расчеты безопасных расстояний приведены ниже (см. § 4).

Для расходных складов устанавливается не только емкость отдельных хранилищ, но и общеее количество ВМ, которое может находиться на складе (табл. 24). В зависимости от срока действия склада они подразделяются также на постоянные — срок службы более 3 лет; временные — срок службы до 3 лет; кратковременные — срок службы до 1 года со дня завоза ВМ.

К кратковременным расходным складам ВМ относятся также специально оборудованные автомобили, повозки, сани, являющиеся передвижными складами ВМ, для обслуживания взрывных работ, выполняемых на протяженных трассах (при сейсморазведке и других работах, требующих применения взрывов).

Передвижной склад — прочное сооружение (фургон) из дюралюминия или теса, покрытого огнезащитным составом и обшитого снаружи кровельной сталью. Оно закреплено на транспортной единице. В передней и боковых стенках склада делают окна размером 30 X 30 см со стальными решетками, в задней стене — дверь, которую обшивают снаружи кровельной сталью и оборудуют металлическими затворами. В задней части помещения отгораживают место для двух лиц охраны. Как отличительный признак, на боковые стороны склада по диагонали наносят красные полосы шириной 15 см.

Склад разрешается заполнять ВВ в количестве до 2/3 грузоподъемности транспортного средства. При этом в нем разрешено хранить электродетонаторы, для которых в правом переднем углу фургона закрепляется ящик, обитый изнутри войлоком и снабженный внутренним замком.

Маршрут передвижения склада согласуется с органами милиции, которые выдают соответствующее разрешение. При передвижении и остановках соблюдаются положения ЕПБ, установленные для автогужевых перевозок ВМ. В ходе работ передвижной склад должен располагаться не ближе 200 м от места взрыва, если по требованиям безопасности это расстояние не должно быть увеличено.

Каждый склад ВМ должен удовлетворять определенным требованиям, которые зависят от характера склада (постоянный, временный, кратковременный), так как с этим связаны и количество ВМ, допущенных к хранению, и целесообразность его оборудования (табл. 25).

На каждый склад назначается заведующий. Им может быть лицо, имеющее право руководства взрывными работами или прошедшее дополнительную подготовку, сдавшее экзамен квалификационной комиссии и получившее удостоверение. Не может выполнять заведывание складом лицо, производящее взрывные работы. Обязанности заведующего складом могут быть по совместительству возложены на лицо, имеющее право руководства- 254

1

г

U7 OJ

еб CT К «

\D

3 X X ф

ф ft

О

ft X

о

° о

Кд

СО

IS

S SKA

§ §§§

§ §°s s 8tiB о §&9 д св

K 2 ftx £ св X E о

X Яя

Й я 3л

«2x52 £ 5 2□

ев я и о 3 со bto 3 Ь ft eto я ° S я ё g °

X я ft» О я оди Я

&д й£ О X “

-«х

Ч ь

§ о я и ft« В я

Д

с

СО ф

Ф Ф

Ч X Oto to о

ф у км

А 56

- 4 S

Я

3

3

4 o g

3 к

3 ф

&

Ч н

ft ф

К

s'

to м дЗ ЬД

О

too 1П in

S ft О

О

3

о in

св X

Е-|

to >* ft

д

в 3 ft

о

X

3

О 2

3°

£2

§1 Чев

Я X

Д

о X

Ч

to О

Ф Я

Я св X ч V ч S £

о « Св Bg£ Й?« Зе» Ф £ X св £ Я « 2-д я в о to о я 3«S о о х Й ь я о 2 £ Я св у &S .

О Л д кг

ф ф

ft о

X

X

3'

со ф Я ёйа о| Л to £ 5

Кд

1

я

св

о л

яя5

а 5 oxo

К №

M i 5 * 5 H cf g g io Д

S 3 к к

о о н

X

Я £

ga

д _

я -Чо О Я - х я Soft s ч ® s й «gs

НД Ч

Oto 1П in

а ft о

° я

« ft s £ о св ю g

X о

К Я ев “чо 2 3 2

ag® Store док

О"

^ Й

Ф

3 ф Я

св X Я ft Я а

in со со"

св Е-| О О 3 д

ф к

Ч ф

2

ft X а о я я X В

X

св Я

S § in X

£* X я а £ о я я ВДВ

я Е св

м S ж О S ЛЕн

«„ ВИ Я„ „

&gss § gg «“«“"gS ох ЛО ”:Я Ф Г» to о н е а о ою ..to 5 2 в ® 5 2 Kft U ДдДЕн

1

Я О

ft О

о

ft

св

X X

я _ о «

о Ен

ДО

5 ок

& ggs

й *?£ д 5 о я 2 а ф s

О og|«o

Я «SofaB Х—ШкоОХм оЗЕДщЯОВ S§B‘8go^« Св Я Св св О ф ft ft СОД Rft«

0

§s

Св Ен ДО

И «

X

Я св g

О

ДЯ д

to ft я g ф И

f и 3 о о &

Я X св ЯЯд

ннЯ

& I

нн2

5 д з д о

§ X Я

ДФ о я w Я Й §X§S g

5^2 я о и до

взрывными работами. Заведующим передвижным складом ВМ может быть по совместительству лицо, прошедшее дополнительную специальную подготовку.

Заведывание зарядной мастерской геофизического предприятия разрешается поручать лицу, имеющему «Единую книжку взрывника» и стаж работ по' взрывному делу в промысловой геофизике не менее 1 года.

На постоянных складах проводят испытания ВМ для определения пригодности к применению при взрывных работах и хранению. Испытания производят при поступлении ВМ на склад, в конце гарантийного срока, указанного на таре, а после истечения гарантийного срока — для ВВ, содержащих жидкие нитроэфиры — периодически, для предохранительных ВВ — каждый месяц, для других ВВ — не реже чем через каждые три месяца, для средств взрывания — не реже одного раза в год. Кроме того, испытаниям подлежат все ВМ независимо от срока хранения, если возникает сомнение в их доброкачественности по внешнему осмотру, или при неудовлетворительной работе (неполные взрывы, отказы).

ВВ и СВ помимо наружного осмотра тары и отобранных образцов подвергаются следующим испытаниям:

ВВ, содержащие нитроглицерин и другие нитроэфиры, — на наличие эксудата, на способность передачи детонации между патронами, на слеживаемость;

аммиачно-селитренные ВВ — на способность передачи детонации, слеживаемость, содержание влаги; водоустойчивые ВВ проверяют на способность к передаче детонации между сухими и замоченными патронами;

ЭД — проверке электрического сопротивления;

ДШ — на безотказность взрывания, на водостойкость.

Испытания ВМ регламентированы специальной инструкцией, которая дана как приложение к ЕПБ. Взрывчатые материалы, признанные непригодными для дальнейшего использования, подлежат уничтожению (см. стр. 263).

Перевозка ВМ может производиться железнодорожным транспортом, на судах, самолетах, автомобилях, повозках и других транспортных средствах. При этом не допускается нахождение в том же вагоне, трюме, отсеке легковоспламеняющихся грузов. Груз должен быть размещен и закреплен так, чтобы он не мог сдвинуться во время пути. При загрузке нельзя ходить по таре с ВМ.

Запрещается: 1) перевозка ВМ на плотах; 2) перевозка пассажиров и посторонних грузов вместе с ВМ на моторных катерах, газоходах, паромах.

Перевозка ручной кладью допускается при наличии соответствующего разрешения милиции и производится с соблюдением действующих правил соответствующего транспортного министерства. Запрещается перевозка ВМ ручной кладью в самоле- 256

тах, в пригородных (дачных) поездах и багажом в пассажирских поездах. Лицо, перевозящее ВМ, должно иметь одно из следующих прав: взрывника, заведующего складом ВМ или руководителя взрывными работами. При продолжительности перевозки более 12 ч ВМ, перевозимые ручной кладью, сопровождаются не менее чем двумя лицами.

Доставка ВМ с базисного склада к расходному или с расходного склада к месту работы допускается вьюком, на повозках, автомобилях, мотоциклах с коляской, мотороллерах с кузовом, мотодрезинах, лодках, катерах, технических судах.

По шоссейным и грунтовым дорогам ВМ можно перевозить автомобильным и гужевым транспортом. Транспорт ВМ должны сопровождать лицо, имеющее права взрывника, или заведующего складом ВМ, или руководителя взрывными работами, и вооруженная охрана (Сопровождающему лицу разрешается совмещение обязанности по охране).

При отсутствии дорог ВМ П группы и зарядные мастерские можно буксировать трактором.

Все лица, имеющие отношение к транспорту ВМ (шоферы, возчики, охрана), должны быть проинструктированы о порядке погрузки, перевозки и выгрузки ВМ. Лицо, отвечающее за транспортировку, должно находиться в голове колонны. На последней транспортной единице спереди и сзади необходимо устанавливать отличительные знаки — красные флажки.

Запрещается перевозить ВМ в транспорте общего пользования — автобусах, трамваях, троллейбусах, метро, на самосвалах (для последних может быть сделано исключение при перевозке ВВ II группы), а детонаторы, дымный порох и ВМ, содержащие жидкие нитроэфиры, — на автоприцепах. Запрещается также на транспортной единице перевозить совместно с ВМ грузы, кроме оборудования, необходимого при взрывании.

При перевозке всех ВМ, кроме II группы, скорость движения для автотранспорта не должна превышать 40 км/ч, гужевой транспорт передвигается шагом. Для ВМ II группы скорость транспортировки определяется правилами дорожного движения.

Автотранспорт, предназначенный для перевозки ВМ, должен иметь искрогасители на глушителях, исправные без щелей кузова, очищенные от остатков других грузов, по два огнетушителя для автотранспорта и один — для мототранспорта. В путевом листе должно быть отмечено: «автомобиль (мотороллер) проверен, вполне исправен и пригоден для перевозки взрывчатых грузов». При отсутствии такой записи выдача ВМ для перевозки запрещается. При хранении, перевозке и использовании ВМ не должны оставаться без надзора или охраны. По согласованию с Госгортехнадзором исключение могут составлять ВМ, хранящиеся в металлических контейнерах в малонаселенных районах СССР. Надзор на месте работ осуществляется взрывниками или рабочими взрывных бригад.

Общие требования безопасностипри ведении взрывных работ

К общим требованиям при выполнении открытых взрывных работ с электровзрыванием относятся следующие.

Заряжание скважин можно производить с помощью механизмов и машин, допущенных к применению Госгортехнадзором СССР для данных ВМ (обычно только для ВВ, отнесенных ко II группе).

При изготовлении заряда-боевика из прессованных или литых ВВ необходимо пользоваться изделиями с гнездами заводского изготовления под ЭД. Нельзя расширять или углублять эти гнезда. В заряды нельзя помещать дополнительные детонаторы (оживители).

Взрывание необходимо производить при помощи ДШ или ЭД.

WWОтрезки ДШ надлежащей длины должны быть подготовлены заранее. Все соединения ДШ делаются так, чтобы в присоединенном отрезке направление распространения детонации совпадало с направлением детонации по предыдущему (магистральному) шнуру. В ДШ не допускаются витки или скрутки. В пересечениях линий ДШ между шнурами помещают прокладку толщиной не менее 10 см из инертного материала.

W

W

У электродетонаторов замеряют величину сопротивлений воспламенительных мостиков, проверяют их проводимость. При этом ЭД (ЭДС) помещают в защитное гнездо, а в полевых условиях — в землю на глубину 35 см. Используются приборы, допущенные для этой цели Госгортехнадзором. Ток в цепи пробника не должен превышать 0,015 А. После проверки провода ЭДС замыкаются накоротко; в таком положении они находятся до присоединения к взрывной линии.

Электровзрывная сеть монтируется всегда от заряда к источнику тока. Концы каждого отрезка взрывной сети должны быть замкнуты накоротко до момента присоединения его к следующему отрезку сети. Эти требования предусматривают свести к минимуму возможность срабатывания взрывной цепи от внешних электрических полей. Во время грозы взрывные работы и монтаж взрывных линий производить нельзя.

Источник тока должен обеспечить ток силой не менее 1 А для каждого ЭДС при количестве одновременно взрываемых ЭДС до 100 шт.

Все случаи отказов заносятся в «Журнал для записи отказов при взрывных работах и времени их ликвидации». Отказы снижают производительность отряда, а ликвидация их сопряжена с опасностью, поэтому необходимо изучать причину каждого отказа и не допускать повторных отказов по той же причине.

«Единые правила безопасности при взрывных работах» требуют обязательного применения звуковых сигналов, которые должны быть хорошо слышны в пределах опасной зоны 258

(запрещается подача сигналов голосом). Предусмотрены три сигнала — предупредительный, боевой и отбой. По первому (один продолжительный) персонал удаляется из опасной зоны и охраняет ее от случайного проникновения в нее посторонних лиц, по второму — боевому (два продолжительных) производится взрыв. Отбой обозначается тремя короткими сигналами.

В сейсморазведочных партиях сильный звуковой сигнал будет воспринят сейсмоприемниками, поэтому его надо либо подавать с некоторым опережением, либо заменять боевой сигнал командой по линии связи.

После сигнала «отбой» подходить к месту взрыва для его осмотра или повторного заряжания можно спустя некоторое время, оговоренное в проекте (паспорте) взрывных работ. Концентрация токсичных газов в воронке в первые минуты после взр'ыва может вызвать у человека потерю сознания. Известны случаи отравления газами детей, спустившихся в воронки после отъезда взрывной бригады. Кроме того, возможны повторные выбросы из скважины, связанные с выходом газов, образовавшихся при взрыве; запаздывание такого выброса зависит от глубины взрыва и может быть значительным.

Безопасные расстояния

При проведении взрывов существует опасность сейсмических воздействий на ближайшие здания и сооружения, детонации ВВ, находящихся в близрасположенных хранилищах, поражения людей и зданий воздушной волной, поражения людей осколками и обломками породы, выброшенной взрывом. Инструкции по определению безопасных расстояний входят в ЕПБ.

Минимально допустимые величины радиусов опасных зон при торпедировании и перфорации нефтяных газовых скважин — 50 м (после того как стреляющий аппарат опущен в скважину на глубину более 50 м, радиус опасной зоны может быть уменьшен до 20 м), при взрывах для сейсмической разведки в шурфах и на поверхности — 100 м, в скважинах — 30 м.

За безопасное расстояние для людей принимается наибольшее из определенных для разных условий. Установленные границы опасной зоны должны быть обозначены на местности. Во время взрывных работ опасная зона подлежит охране, причем все подходы к ней должны просматриваться с постов, чтобы исключить появление посторонних лиц.

Сейсмическое действие взрыва проявляется только при помещении заряда ниже поверхности земли и зависит от следующих факторов: 1) массы заряда G; 2) условий взрыва — степени заглубления заряда а (при а=0 сейсмическое действие взрыва отсутствует); 3) грунтов, на которых находится сооружение (Л^).

Безопасное расстояние для сооружений

(VIII.1)(VIII.1)гй = К(.а.Уб

(VIII.1)

(VIII.1)

для скальных пород 7ГС=3, для водонасыщенных грунтов Кй = 20. Для других пород в естественном залегании Кс близко к 10.

При групповых взрывах зарядов, разнесенных на некоторое расстояние, в формуле заменяют величину G на Сэкв (масса некоторого сосредоточенного заряда, эквивалентного по сейсмическому действию всей группе зарядов).

Определяя сейсмический эффект, следует учитывать состояние зданий, грунта, в котором производится взрыв, кратность взрывов вблизи объекта, экономическое значение сооружений, вблизи которых производят взрывы. Например, для поврежденных зданий (имеющих трещины в стенках) при производстве взрыва в водонасыщенном грунте безопасное расстояние требуется увеличить в 4 раза против расчетного. В условиях повседневной работы геофизических партий сейсмический эффект от производимых ими взрывов незначителен. Безопасное расстояние по передаче детонации между активным (взрываемым) и пассивным зарядами зависит от величины заряда G, рода ВБ и условий взрыва (на поверхности, ниже поверхности) (А"д), эффективного размера пассивного заряда (D) в м.

Для двух зарядов Gx и G^ из различных ВВ

ra = VK^Gi + KlA VT.(VIII.2)

Для одинаковых ВВ А"Д1=А"Д2 и формула имеет вид

r^K^G'/D. (VIII.3)

В ЕПБ приведены таблицы значений гд. Например, для зарядов по 5000 кг тротила, находящихся в хранилищах на поверхности, безопасное расстояние по передаче детонации составляет 30 м, при углублении (обваловании) обоих хранилищ — 13,5 м.

Для определения расстояния, на которое передается детонация от склада ЭД, применяют формулу (VIII. 2), причем G = = 0,0015 п, где п — число ЭД, 0,0015 — условная масса В В в одном детонаторе (в кг). По этой формуле безопасное расстояние по передаче детонации между открытым штабелем тротила (пассивный заряд) и 10 000 ЭД (активный заряд) определяется при ^д — 0,55, размере пассивного заряда D 1,6 м как

гд = 0,55У15 1^1,6 ль 1,6 м.

Очевидно, это расстояние легко обеспечить в хранилище, если предусматривается совместное хранение ВВ и СВ.

Нет необходимости рассчитывать безопасное расстояние, принимая за активный заряд тротил, так как при взрыве 3 т тротила (количество, допускаемое к совместному кратковременному хранению) увеличение массы В В на 15 кг не изменит действия взрыва.

Расстояния, безопасные по действию воздушной волны, определяются по одной из двух формул

rB = KG(VIIT.4)

или

rB = KBVG(VIII.5)

(везде Кс, Кд, Кв, кв — коэффициенты пропорциональности, установленные экспериментальным путем. Их значения приведены в ЕПБ).

Вторая формула применяется при открытых зарядах массой свыше Юти зарядах, углубленных на свою высоту, массой больше 20 т.

«Едиными правилами безопасности при взрывных работах» предусмотрено шесть степеней безопасности в зависимости от допустимых разрушений, которые может произвести воздушная волна; соответственно принимают значение кв. Для сейсморазведки при зарядах, углубленных на свою высоту, Авне превышает 50, а обычно может быть значительно меньше 10. В ЕПБ приведена таблица «Относительно безопасных расстояний по действию воздушной волны от складов ВМ до различных объектов». Из этой таблицы следует, расстояние от поверхностного ВМ емкостью 4000 кг до населенного пункта, автомобильной или железной дороги и других сооружений, которые не относятся к особо прочным, должно быть не менее 320 м. Тот же склад, будучи обвалован, может находиться в 130 м от упомянутых объектов. Безопасное расстояние связывают также с наличием на местности защиты от действия воздушной волны (густого леса, холма) или,, наоборот, условий, обеспечивающих уменьшение дисперсии фронта воздушной волны и, как следствие, сохранение ею опасных свойств на большем по сравнению с определенным по формулам (УШ. 4) и (УШ. 5) расстоянии (например, при взрыве в узкой долине).

Для людей опасное расстояние

/-min =15 Ж

где G — масса наружного заряда.

Следует стремиться, чтобы удаление людей от точки взрыва было в 2—3 раза больше минимального. При наличии блиндажа rmin может быть сокращено в 1,5 раза.

Опасные зоны по разлету отдельных кусков взорванной породы определяются по таблице, приведенной в ЕПБ, в зависимости пт показателя действия взрыва заряда п и длины линии наименьшего сопротивления W. При Идо 10 м радиус опасной зоны для людей составляет 200—1000 м (для различных п). Эти величины необходимо принимать во внимание при производстве взрывов в шурфах.

Требования к отдельным видам взрывных работ

Проведение взрывов при сейсморазведке на суше

При подготовке групповых взрывов разрешается заряжание каждой скважины после окончания ее бурения. Заряженные скважины должны находиться под наблюдением взрывной бригады.

Шоферу автовзрывпункта (трактористу) разрешается находиться в кабине на взрывном пункте (станции) во время работы взрывной бригады.

Запрещается применение для взрывной и моментной магистралей и для телефонной связи проводов с поврежденной изоляцией и без вилок для подключения их к аппаратуре.

Недопустимо применение на взрывном пункте двух магистралей.

Нарушение этого требования, так же как и несоблюдение правил о необходимости разъема во взрывной магистрали, приводило к несчастным случаям: взрывники, монтируя заряд на второй взрывной магистрали, по ошибке подключали ее к взрывной машинке и взрывали заряд, находившийся на поверхности.

Взрывпункт следует располагать с наветренной стороны от точки взрыва.

Запрещается подходить к скважинам в течение 5 мин после произведенного в них взрыва.

Оба эти требования связаны с токсичностью газообразных продуктов взрыва и опасностью выброса.

Перед взрывом заряда, заранее помещенного в скважину на болотистых участках, необходимо убедиться, что он не поднялся вверх по скважине, поскольку в таких скважинах наблюдались случаи подъема заряда газами, выделяющимися из торфяно-грунтовой массы болота. Это происходило тогда, когда заряд находился в скважине длительное время и не был снабжен «якорем», удерживающим его на глубине.

Сейсморазведочным партиям разрешается иметь на месте работ (вне пределов опасной зоны) до 3-суточного запаса ВМ при его непрерывной охране. Количество ВМ, необходимое для работы 1 смены, можно хранить в пределах опасной зоны, но в надежном укрытии и отдельно от людей.

Проведение сейсморазведки на акваториях

При проведении сейсморазведки на акваториях для возбуждения упругих колебаний применяют установки газовой детонации (УГД), пневмоизлучатели (ПИ) или электроискровые источники.

При работах с указанными источниками необходимо выполнение следующих требований.

Соблюдать общие правила безопасности для морских работ (в части установки оборудования на судах, пользования корабельным оборудованием — лебедками и др., размещения оборудования партии в пределах судна и т. п.), прекращать работу забортных установок при волнении выше определенного предела.

Обеспечивать безопаснсть при работах со сжатыми газами, паром, компрессорами, трубопроводами высокого давления (до 150 кгс/см2) и т. д'.

Применять исключительно типовое оборудование, допущенное органами горного надзора, соблюдать инструкции для работы с ним, поддерживать его в рабочем состоянии, не осуществлять рабочий цикл при нахождении взрывной камеры (излучателя) на борту или у борта судна, прекращать доступ рабочего агента перед подъемом камеры и т. д. При использовании взрывов кислородно-водородной смеси руководствуются общими требованиями безопасности, установленными для УГД. Различие может заключаться в обслуживании того или иного типа электролизера, если получение кислорода и водорода осуществляется на борту судна. При электроискровом возбуждении импульса необходимо обеспечить безопасность от поражения током высокого напряжения, используемым в установке.

Прострелочно-взрывные работы в глубоких скважинах

С этим видом работ наиболее часто связаны отбор грунтов и перфорация. Существующая прострелочная аппаратура рассчитана на многократное ее использование. На каждой скважина, невозможно создать условия для безопасной зарядки стреляющей аппаратуры, поэтому аппаратуру заряжают в зарядных мастерских и перевозят с соблюдением правил безопасности к месту использования. Созданы также передвижные зарядные мастерские (на автомашинах), которые приспособлены как для перевозки прострелочной аппаратуры, так и для перезарядки ее у места работы.

Аварийная ситуация на скважине может потребовать срочного проведения других взрывных работ. В связи с этим в кладовой зарядной мастерской разрешается хранить ВВ различных групп. Постоянные зарядные мастерские строят по типовым проектам. Под временные зарядные мастерские (на срок до 3 лет) разрешается приспосабливать помещения, удовлетворяющие тре-

263-

кованиям безопасности, но оборудовать их необходимо так, чтобы свести к минимуму возможность воспламенения или взрыва ВМ, а в случае взрыва (выстрела) исключить возможность поражения лиц, находящихся в зарядной мастерской.

Перевозка заряженных прострелочных аппаратов и торпед допускается в передвижных зарядных мастерских, каротажноперфораторных подъемниках в специально оборудованных ящиках и устройствах. В этих случаях разрешается перевозка в этих спецавтомашинах и персонала партии.

При использовании одножильного кабеля допускается использование в качестве второго провода брони кабеля или колонны труб.

Спуск аппаратов и торпед в скважину должен производиться при соблюдении следующих условий:

каротажная лебедка подъемника (зарядная мастерская) должна быть заземлена;

источники тока — отключены;

скорость спуска не должна превышать 2 м/с для простре- лочной аппаратуры и 1 м/с — для торпед.

Отказавшие торпеды, ВВ и СВ уничтожаются вблизи скважины в специально приготовленных ямах.

Уничтожение взрывчатых материалов

Взрывчатые материалы уничтожаются путем взрывания, сжигания, потопления или растворения в воде.

Уничтожению подлежат пришедшие в негодность ВМ, которые не отвечают требованиям технических условий или гостов и не могут быть использованы при других видах взрывных работ.

Взрыванием уничтожают ВВ, если есть уверенность в полноте их взрыва, а также ЭД, ДШ и перфораторные заряды. При этом должны быть приняты меры, исключающие возможность поражения людей, повреждения зданий и сооружений. Взрывание производят при помощи доброкачественных взрывчатых материалов. Патронированные ВВ уничтожают пачками.

Сжиганием уничтожают ВВ и СВ, не поддающиеся взрыванию (уничтожение детонаторов сжиганием запрещается). При уничтожении сжиганием принимают меры против возможного перехода горения ВВ в детонацию, ограничивая количество одновременно сжигаемого ВВ, рассредоточивая его на площадке сжигания (запрещается сжигать ВМ в их таре). На кострах сжигают ВВ и ДШ (в количестве не более 10 кг на каждом костре, гексоген — до 5 кг). Порошкообразные ВВ (дымные и бездымные пороха) при уничтожении сжиганием рассыпают дорожками шириной не более 30 см толщиной слоя не более 10 см при расстоянии между ними не менее 5 м. Негодная тара сжигается отдельно.

Потопление ВМ разрешается только в открытом море в глубоких местах. При этом должны быть приняты меры, устраняющие всплывание уничтожаемых ВВ.

Растворением в воде (в бочках или иных сосуда^) уничтожаются аммиачно-селитренные ВВ, дымный порох. Нерастворив- шиеся остатки ВВ собирают и уничтожают сжиганием.

Порядок уничтожения ВМ регламентирован «Едиными правилами безопасности при взрывных работах».

При строгом соблюдении правил и инструкций взрывные работы не более опасны, чем другие виды работ. Однако взрывники допускают отклонения от ЕПБ, что приводит к несчастным случаям. Требуется систематический контроль за соблюдением ЕПБ и инструкций. Его по положению обязаны осуществлять органы милиции и Госгортехнадзора (или ведомственных горнотехнических инспекций). Однако это не снимает с руководителей геофизических организаций обязанности обеспечивать систематический контроль за соблюдением подчиненными им лицами ЕПБ и инструкций, своевременно присекать даже малейшие отклонения от ЕПБ, предупреждая этим порчу, возможное хищение ВМ и несчастные случаи.

В связи с этим следует еще раз остановиться на задачах, стоящих перед руководителем взрывных работ геофизической (сейсморазведочной) партии. Деятельность такой партии протекает чаще всего на значительной территории, в пределах которой условия возбуждения и технология выполнения взрывов не постоянны. В процессе работ требуется не только констатировать необходимость изменения условий возбуждения, но и предложить наилучшее сочетание величин зарядов, числа взрывов и глубин заложения зарядов, которые при существующей технической вооруженности партии обеспечивали бы выполнение геологической задачи при минимальных совокупных затратах на ВВ и бурение и при возможно большей производительности труда, с учетом последующих работ по ликвидации последствий взрывов.

В ходе работ партии приходится иногда решать также задачи, связанные с применением ВВ для прокладки путей подъезда, повышения производительности водяных скважин, ликвидации ВМ, пришедших в негодность, и т. д. Требуется также выбрать способ и место ликвидации ВМ, определить количество ВМ, уничтожаемых одновременно, и, конечно, обеспечить безопасное проведение этой операции.

Согласно ЕБП руководитель взрывных работ обязан:

обеспечивать точное соблюдение подчиненным ему персоналом хранения, учета, расходования, транспортирования и испытания ВМ;

допускать к производству взрывных работ и к испытанию ВМ только лиц, имеющих на это право;

контролировать своевременную отчетность взрывников (мастеров-взрывников) об израсходовании ВМ и сдачу взрывниками (мастерами-взрывниками) остатков ВМ на склады;

установить порядок выдачи ВМ, отвечающий требованиям правил безопасности;

организовать регулярный надзор за состоянием складов и за работой обслуживающего их персонала и охраны;

организовать безопасное проведение взрывных работ. Он несет персональную ответственность за соблюдение этих обязанностей.

Для успешного руководства многообразной деятельностью, связанной со взрывными работами сейсморазведочной партии, необходимо не только строго соблюдать требования ЕПБ, но и обдуманно использовать сведения, содержащиеся в данном курсе, своевременно пополняя их по мере развития метода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Андреев К. Н., Беляев А. Ф. Теория взрывчатых веществ. М., Оборонгиз, 1960. 295 с. с ил.

Единые правила безопасности при взрывных работах. М., «Недра», 1972. 319 с.

К о у л Р. Подводные взрывы. М., Изд-во иностр, литер., 1950. 493 с. с ил.

П р о с т р е л о ч и ы е и взрывные работы в скважинах. М., «Недра», 1972. 285 с. с ил. Авт.: Н. Г. Григорян, Д. Е. Пометун, Л. А. Горбенко и др.

Яковлев Ю. С. Гидродинамика взрыва. Л., Судпромгиз, 1961. 313 с. с ил.

Таблица перевода наиболее часто встречающихся в книге единиц в систему СИ

Параметр

Наименование единицы в книге

Наименование единицы в системе СИ

Величина принятой единицы в системе СИ

Сила (вес)

кгс

н

9,81 Н

Давление механическое (напряжение)

кгс/см2

Па

9,81 х 105Па

Работа, энергия

кгс-м

Дж

9,81 Дж

Количество тепла (работа, энергия)

ккал.

Дж

4187 Дж

Мощность, тепловой поток

ккал/с

Вт

4187 Вт

Импульс, количество движения

кгс-с/м2

кг • м/с

9,81 Н-с/м2

Температура

°C

К

°С+ 273,15

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Глава I. Теория взрывчатых веществ 6

Общие сведения о взрыве и взрывчатых веществах. Теплота взрыва 6

Физическая и химическая стойкость взрывчатых веществ. Тепловой взрыв 16

Горение взрывчатыхвеществ 22

Чувствительность взрывчатых веществ к удару, трению, начальному импульсу ибыстромунагреву 28

Теория детонации взрывчатых веществ 33

Детонация твердых и жидких (конденсированных) взрывчатых веществ 41

Критический и предельный диаметры детонации. Скорость детонации * 44

Передача детонации. Бризантное и фугасное действие взрыва . .48

Направленное действие взрыва 54

Глава II. Взрывчатые вещества и средства взрывания 58

Бризантные взрывчатые вещества 59

Пороха 70

Инициирующие взрывчатые вещества и пиротехнические составы 74

Выбор взрывчатых веществ при геофизияеских работах . . .75

Средства воспламенения и взрывания зарядов 77

Изготовление зарядов из взрывчатых веществ 83

Глава III. Ударные волны и действие взрыва в различных средах 85

Характеристика ударных волн 85

Воздушные взрывы 91

Подводные взрывы. . . 96

Действие взрыва в грунтах Юб

Глава IV. Основные параметры, определяющие сейсмическую эффективность взрыва. Наземные «невзрывиые» источники 123

Воздушные взрывы 124

Взрывы в грунтах 125

Наземные «невзрывные» источники сейсмических колебаний . .150

Глава V. Возбуждение сигнала при сейсморазведочных работах на акваториях 166

Подавление пульсации при подводном взрыве 168

Направленность излучения и амплитудный спектр сейсмического сигнала 171

Группирование источников сейсмических сигналов 177

Источники сейсмического сигнала 180

Глава VI. Техника взрывных работ при сейсмической разведке 192

Виды сейсморазведочных работ 192

Организация сейсмических работ 197

Возбуждение колебаний.Виды взрывныхработ 200

Оборудование взрывногопункта 206

Приготовление зарядов ипроизводство взрывов 211

Ликвидация последствийвзрывов 217

Г л^а в а VII. Взрывные работы в глубоких скважинах . . . . . .220

Предупреждение и ликвидация аварий при бурении 220

Отбор образцов горных пород и скважинных жидкостей. Взрывные пакеры 228

Вскрытие пласта 231

Взрывные методы воздействия на призабойную зону 239

Глава VIII. Техника безопасности при проведении взрывных работ 248

Общие положения по ведению взрывных работ 249

Хранение и перевозка взрывчатых материалов 252

Общие требования безопасности при ведении взрывных работ . .258

Безопасные расстояния 259

Требования к отдельным видам взрывных работ 262

Список "литературы 267

Таблица перевода наиболее часто встречающихся в книге единиц в систему СИ . , . 267

ВЗРЫВНОЕ ДЕЛО

Сергей Александрович Ловля,Берта Львовна Каплан,Виктор Васильевич Майоров,Игорь Константинович Купалов-

Ярополк,

Михаил Иванович Балашканд

Редактор издательства В, Н. НикитинаТехнические редакторы 3. А. Болдырева,О. Ю Трепенек

Корректор Т. М. Столярова

Сдано в набор 10/VII 1975 г. Подписано в печать 19/11 1976 г. Т-05024. Формат 60 X 9O‘/i«- Бумага № 2. Печ. л. 17,0.

Уч.-изд. л. 17,86.Тираж 9000 зкз.

Заказ № 419/4366-3. Цена 87 коп.

Издательство «Недра», 103633, Москва, К-12,Третьяковский проезд, 1/19.

Ленинградская типография М 6 Союзполи- графпрома Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

196006, Ленинград, Московский пр., 91

возбуждения взрыва ряда ВВ типа аммонитов наблюдается эффект «пере- - инициирования», когда детонация у основного заряда не успевает развиться из-за разброса продуктами взрыва промежуточного детонатора прилегающей к нему части основного заряда (до завершения в нем реакции).

3 Заказ 41»

1 В стадии разработки пакеры, позволяющие решать и более сложные

ВЗРЫВНОЕ ДЕЛО

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ

, Допущено Министерствомвысшего и среднегоспециального образования СССРв качестве учебникадля студентов вузов,обучающихся поспециальности

«Геофизические методы поисков и разведкиместорождений полезных ископаемых»

МОСКВА«НЕДРА» 1976

УДК 622. 235 (071.1)

Взрывное дело. Изд. 2-е, переработанное. М., «Недра», 1976.

272 с. Авт.: С. А. Ловля, Б. Л. Каплан, В. В. Майоров и др.

В книге изложены общие вопросы взрывных превращений, охарактеризованы условия возникновения детонации, ее развития во взрывчатых веществах, различающихся по физическим свойствам и форме заряда; действие сосредоточенного заряда в среде, в полупространстве (при производстве взрывов на поверхности земли). В ней описаны заряды направленного действия, главным образом используемые в скважинных приборах и стреляющих аппаратах, бризантные взрывчатые вещества, пороха, средства взрывания, их физические свойства, отличительные признаки и условия применения.

Взрывы в различных средах порождают побочные эффекты —,

пульсацию газового пузыря при подводных взрывах, звуковые волны । при взрывах в воздухе и др. Детальное описание причин этих явлений / и мер, принимаемых к их устранению, сопровождается рассмотрением возможности увеличения полезного эффекта от заданного количества I взрывчатых веществ, а также исследованием экономически оптималь- I ного сочетания объемов бурения взрывных скважин и количества } взрывчатых веществ для обеспечения требуемого сейсмического эф- I фекта при минимальных затратах.;

В текст включены описания принципов устройства «невзрывных j источников» упругих колебаний, в основном используемых при сей- j сморазведке на акваториях, где такие источники полностью вытеснили концентрированные взрывчатые вещества.

Уделено также внимание новым механизированным способам заложения взрывчатых веществ в горные выработки. Описание применения взрывчатых веществ в глубоких скважинах охватывает все известные виды взрывных работ — перфорацию, торпедирование, установку пакеров, чистку фильтров, ликвидацию аварий и т. д.1

Кратко изложены правила безопасности, в том числе при транспор- | тировке, организации складского хозяйства для взрывчатых материалов, определении расстояний при различных видах работ, что позволяет читателю легче ориентироваться в действующих «Единых правилах безопасности при ведении взрывных работ».j

Книга предлагается как учебник для студентов вузов геофизиче- ; ской специальности, но она представляет интерес для всех специалистов, j использующих взрывчатые материалы при геофизической разведке. !

Табл. 25, ил. 111, список лит. — 5 назв.|

Авторы: С, А. ЛОВЛЯ, и. к. купалов-ярополк,

Б. Л. КАПЛАН, В. В. МАЙОРОВ, М. И. БАЛАШКАНД.

i

i

В

20804-145_

043 (01) —76 109 76

© Издательство «Недра», 1976