Содержание к диссертации
Введение 5.
1. Влияние начальных воздушных полостей на параметры
болны сжатия при камуфпетяом Езрьше .19.
1. Постановка опытое и методика исследо
ваний 19.
2. Результаты экспериментов 25.
2. Прострел е грунте е зависимости от плотности за
ряжания 42.
3: Исследование воронок выброса при Езрьше в воздуш
ных полостях 49.
4. Влияние фильтрации продуктов Езрыва на волну сжа
тия при камуфлетном взрьше 61.
5. Оценка потери массы продуктов Езрьша на фильтра-
„-С'^цию: .85.
6. Кинетика утечки продуктов детонации при взрьше
е пористом грунтеj расчеты е кЕазистационарном
приближении .89.
Постановка задачи 89.
Схема счета 94.
Результаты расчетов ,.95.
Замечания по постановке задачи 100.
7. Нестационарная задача об утечке продуктов детона
ции при Езрыве в пористом грунте . .104.
1. Постановка задачи 105.
Схема счеіа 109.
Результаты расчетов 110.
Замечания по постановке задачи 122.
8. Экспериментальное исследование утечки продуктов детонации при Езрьше сосредоточеннрго заряда...126.
Постановка эксперимента .128.
Резу пьтаты измерений 133.
9. Численное решение задач, связанных со взрывом
е ку поное ской среде 141 .
Постановка задачи 144.
Схема счета 150:
Граничные у споеия .151.
Выбор параметров, входящих в задачу 152.
Результаты расчета Езрыва сосредоточеннрго заряда 154.
\ / 6. Волна сжатия е грунте при различных
концентрации энергии 160.
7. Влияние показателя адиабаты продуктов
детонапии на затухание еолны е
грунте ,168.
Задача о стравливании газа из ка-муфпетной полости 174.
Оценка елияния Бремени выделения энергии на взрывную волну в грунте..180.
- ч~
10. Зависимость решения задачи of пара-мешроЕ, еходящих Е нее: коэффициента внутреннего трения и скорости дииа-
тансии..... 187,
Зак точение .....193,
Литература .201,
- f-
Введение к работе
Подземный взрыв, как в науке,так и на практике, в горном и военном деле, имеет давнюю и богатую историю. Наиболее важные инженерные приложения взрыва связаны с отбойкой и дроблением горных пород при добыче полезных ископаемых и с механическим перемещением окружающей среды при создании каналов, плотин, водоемов. Использование ядерных взрывов в народном хозяйстве позволит расширить область применения энергии взрыва. Уже сейчас обсуждаются проекты применения подземных ядерных взрывов,в нефтедобывающей промышленности и для создания подземных резервуаров для хранения газа, для вскрытия рудных жел на глубинах порядка нескольких сотен метров, для создания искусственных гаваней и осуществления грандиозных по масштабам ирригационных проектов. Примеры успешного осуществления крупных взрывов химических зарядов при возведении селезащитной плотины близ Алма-Аты и напорной плотины Байпазинского гидроузла позволяет надеяться на более широкое использование энергии взрыва в промышленности и строительстве в самое ближайшее время.
Вышеуказанные практические задачи выдвигают перед наукой требование разработки всесторонней физической теории подземного взрыва, включающий в себя наиболее важные эффекты взрыва, такие как образование камуфлетной полости, распространение ударной волны, дробление среды в ближней зоне, излучение сейсмической волны, образование воронки выброса и другие.
Создание такой теории невозможно без детального изучения отдельных сторон и эффектов взрыва. Кроме того, такое разобщение проблемы на ряд задач позволяет быстрее переносить достижения науки в практику, помогает создавать несложные, однако надежные теоретические модели и схемы, существенно упрощающие разработку различного рода промышленных проектов.
Элементы взрывных процессов в грунтах изучались в раз* личное время известными советскими учеными: М.А.Лаврентьевым, М.А.Садовским, Н.Н.Мельниковым, С.А.Христиановичем и другими, В последнее десятилетие большое количество работ опубликован В.Н.Родионовым, С.С.Григоряном, Х.А.Рахматуллиным, Г.М.Ляховым Н.В.Зволинским, Е.И.Шемякиным, Г.И.Покровским, Л.В.Альтшуле-ром, А.П.Ханукаевым. В настоящей работе остановимся лишь на обзоре исследований, посвященных вопросам распространения взрывных волн в слабосвязанных грунтах и влиянию воздушных промежутков на эффект взрыва»
Выделение этих двух вопросов в настоящей работе закономерно. Изучение распостранения взрывных волн в слабосвязанном грунте, или более общая задача, изучение эффекта взрыва в слабосвязанном грунте представляет большой интерес, как для практики, так и для теории. И это несмотря на то, что, как правило, большинство промышленных взрывов проводится не в песчаных, а в скальных прочных породах. Интерес к слабосвязанному грунту не ослабевает вследствие того, что при взрыве в скальных грунтах всегда образуется зона раздробленной, сильно переизмельченной породы, которая по своим механическим свойствам является кулоновской средой, т.е. ведет себя подобно песчаному грунту.
Возможность разрушения твердого тела в ближней к центру взрыва зоне определяется тем, что величина прочности сред на раздавливание и на сдвиг, заключенная для различных сред в диапазоне I02 f 10 Ц2 (29), оказывается значительно меньше напряжений, возникающих в среде при прохождении взрывной волны. При этом фронт разрушений обычно вначале совпадает с фронтом ударной волны, затем может отставать от него. Характер разрушений может быть также различным в зависимости от напряженного состояния среды: это может быть раздробленная при сжатии порода или растрескавшаяся за счет растягивающих радиальных напряжений или разрушения при достижении определенных сдвиговых нагрузок. Размеры этих зон определяются прочностными параметрами среды и свойствами продуктов взрыва. При взрыве на вброс, как правило, зона разрушений несколько больше и выходит на свободную поверхность. Согласно результатам экспериментальных исследований в этой зоне диесипирует около 90$ энергии взрыва (5), следовательно, процессы, происходящие в этой зоне, должны иметь большое значение на характер действия как камуфлетного взрыва, так и взрыва на выброс.
Второй вопрос, о влиянии воздушных промежутков на эффект взрыва, поставлен перед наукой практикой. Хотя в настоящее время широко известен опыт подрыва зарядов в воздушных полостях при разработке рудных месторождений, до сих пор ощущается необходимость в проведении всесторонних физических исследований влияния воздушных промежутков на волну сжатия в грунте и эффект выброса в средах с различными прочностными свойствами, что должно помочь специалистам более целенаправленно вести разработку и внедрение передовых методов взрывания
Большой эксперементальный материал о взрыве в слабосвя-
занном грунте содержится в работе Й.Л.Зельманова, О.С.Колкова,
А.М.Тихомирова, А.Ф.Шацуковича (1,2,20), А.Н.Ромашова (4),
В.М.Цветкова (3). В этих трудах приведены экспериментальные
значения массовых скоростей частиц грунта в волне сжатия при
взрыве зарядов ВВ и при электровзрыве, получено распределение
скоростей частиц грунта за фронтом волны, определяющее ин
теграл движения: л
#.** = fCt) 7
где л принимает значение, отличающееся т двойки»
В работе М.М.Докучаева, В.Н.Родионова и А.Н.Ромашова (5) выявлены основные характерные черты явления в среде с кул-новским трением, рассмотрены основные диссипативные процессы, показано влияние силы тяжести на показатель подобия при взрыве на выброс.
А.М.Тихомиров (31) рассмотрел влияние газообразующих евойств очага взрыва на эффект выброса, А.Н.Ромашов (18) экспериментально показал роль газового ускорения при взрыве на выброс.
Цикл работ В.В.Адушкина, В.Н.Родионова и М.А.Садовского (17) посвящен модельным исследованиям явления выброса с помощью вакуумной камеры. Эти работы позволили изучить основные закономерности образования воронок выброса, позволили рассмотреть влияние глубины заложения заряда, связности грунта и его коэффициента внутреннего трения. В последних работах 32) изучается образование провальных воронок.
Диееипация энергии при взрыве в грунтах и разогрев окружающей среды рассмотрены в работе Э.А.КЬшелева (25), Экспериментальные результаты измерений температур грунта после взрыва сопоставлены с расчетом теплового поля.
В*работах Л.В.Альтшудлера е группой сотрудников (33) приводятся данные исследования развития камуфжетных полостей и начальной стадии взрыва на выброс с помощью импульсной рентгенографии.
Наряду с экспериментальными исследованиями в последнее десятилетие ведется интенсивное теоретическое изучение закономерностей распространения взрывных вола в слабосвязанном грунте»
В одной из первых таких работ (21), выполненной А»С, Компанейцем, рассматривается затухание ударной волны в среде, пластически уплотняющейся на фронте от значения о0 а0 р . Используя закон Колона, автор пришел к обыкновенному дифференциальному уравнению,
Э.И.Андрианкин и В.П.Кбрявов (22) решили задачу с переменным уплотнением на фронте волны, предполагая пластическую несжимаемость в частице и задаваясь законом уплотнения
р- fl{$) Решение указанной задачи отличается от решз-ния Компанейца в области давлений ниже IG0 атм.
В работе П.Чедвика, А.Кокса и Г.Гонкинса (34) рассматривается задача о расширении камуфлетной полости в кулонов-ской среде. Авторы выбрасывают из рассмотрения ударную волну и считают движение грунта изохронным и не сживаемым. Эти пред-положения позволили свести задачу к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Авторы приводят результаты
расчетов при различных глубинах заложения зарядов, сделанных при различной связности грунта и коэффициенте внутреннего трения.
В труде группы авторов под редакцией академика М.А.Садовского (29) приводятся данные всестороннего экспержментального и теоретического исследования основных вопросов, связанных с подземным взрывом. Упомянем здесь лишь о наиболее интересных с точки зрения настоящей работы задачах, поставленных и решенных авторами монографии. В работе рассматриваются квази-статическое безволновое динамическое расширение полости, задача о сферической волне уплотнения в разрушаемой среде и о сферической волне разрушения с переменным уплотнением на фронте. Последняя задача интересна тем, что она содержит разгрузку среды за фронтом волны, вытекающую из предположения:
Значительное мест в книге уделено обобщению опыта промышленного использования взрыва и описанию сейсмического эффекта взрыва.
Анализ опубликованных работ показывает, что исследования и теоретиков, и экспериментаторов, посвященные задаче о взрыве в кулоновской среде, как правило, относятся к взрыву сосредоточенного заряда химического ВВ. Однако,и для теореии, и для практики весьма важно знание влияния различных физических параметров на характер затухания взрывной волны и образование камуфлетной полости. Среди этих параметров можно указать начальное давление продуктов взрыва или концентрацию энергии, показатель адиабаты продуктов детонации, литостати-ческое давление, коэффициент внутреннего трения грунта и
-//-
друтие, причем роль этих параметров при камуфлетном взрыве и взрыве на выброс может быть различной.
Очевидно, наиболее доступный путь исследования влияния этих параметров является проведение расчетов в рамках той или иной модели при варьировании значения одного из параметров, когда все стальные фиксированы. Тем не менее подобных теоретических исследований проведено очень мало. Можно ука-зать лишь упоминавшуюся работу (34), где исследован влияние коэффициента внутреннего трения грунта и величины литостати-ческог давления на характер расширения камуфлетной полости. Причиной такого положения, повидимому, служит отсутствие аналогичных экспериментальных результатов, с которыми можно было сравнить данные теоретических расчетов. Таким образом, данные экспериментальных исследований влияния различных физических параметров, имея самостоятельное значение, послужили бы для оценки "жизнеспособности" различных моделей грунта и тем самым позволят проанализировать допущения, сделанные при построении этих моделей и схем.
В настоящей работе делается попытка устранить этот пробел. Ставится задача экспериментального исследования влияния начального давления или концентрации энергии заряда на характер затухания волны сжатия в сухом песчаном грунте и развитие камуфлетной полости. Решение задачи осуществлялось подрывом зарядов химического ВВ Спресованные заряды из ТЭНа) в начальных сферических воздушных полостях, предварительно созданных в грунте, в результате чего начальное давление продуктов взрыва варьировалось от ІСгатм до 25 атм, а концентрация энергии изменялась на три порядка. В опытах
-І2-
проводилась регистрация массовых скоростей частиц грунта в велне сжатия с помощью индукционной методики, разработанной А.Ф.Шацукевичем {35), котрая позволила получить информацию о годографе волны в грунте, @ затухании максимальной масевй скорости, о распределении скоростей за фронтом волны и характере расширения камуфлетнй полости.
Ввиду того, что песчаный грунт является естественно пористым, в нем была обнаружена утечка продуктов взрыва в поровое пространство грунта. Это явление был использован для варьирования "эффективног" показателя адиабаты продуктов взрыва. Так например, при защемленных порах грунта показатель адиабаты продуктов взрыва имеет обычное значение равное Ij-25 (малые концентрации энергии), а при возможности утечки газа в поры грунта давление газа в полости падает нропорцшнально объему полости в степени два, три и даже четыре. Для показателя адиабаты это весьма существенное изменение и хватывает весь интересный с практической точки зрения диапазн его изменения. В этих опытах также проводилась регистрация скоростей частиц грунта, что позволил получить зависимость степени затухания взрывной волны от показателя адиабаты продуктов взрыва.
Наряду с экспериментальными исследованиями нами предприняты теоретические расчеты затухания взрывной волны и расширения камуфлетной полости по модели грунта с кулоновским трением. Как и у Компанейца (21), взрывная волна считается ударной, что является некоторым допущением, которое, как показывает эксперимент, нарушается при малых амплитудах волны
-ІЗ-
Сжание грунта на фронте волны предполагается переменным, зависящим от амплитуды волны, что осуществляется введением в расчеты ударной адиабаты песка в виде зависимости ^іСМі) * которая была получена ранее А.Ф.Шацукевичем (35). За фронтом волны используется интеграл движения:
V-1 *' - -fct)
где fCtf - неизвестная функция времени. Этот интеграл движения с удивительной неизменностью получается и при взрыве с различными концентрациями энергии и при взрыве с различными показателями адиабаты продуктов взрыва. В частности, существование такого интеграла движения может быть связан с определенными дилатансионными свойствами грунта (29).
Численное решение задачи в указанной постановке проведено для различных концентраций энергии и для различных показа*» телей адиабаты продуктов взрыва. Проведено сопоставление численного решения задачи и экспериментальных данных, на сновании чего делается вывод об удовлетворительном писании развития камуфлетног взрыва в песчаной среде схемой с кулоновскжм трением.
Как показывают исследования ряда авторов (5), взрыв на выброс - явление более сложное, включающее в себя и камуфлет-нув стадию развития взрыва, и поршневое действие продуктов детонации в направлении свободной поверхности, и баллистический разлет грунта. Две последние стадии являются не менее важными, чем первая, и потому связь эффектов, наблюдаемых прж камуфлетном взрыве, с эффектами при взрыве на выброс не будет прямой, однозначной, а значит непосредственный перенос результатов, полученных при камуфлетном взрыве, на взрыв на выброс
-#-
не правомочен и взрыв на выброс требует специального исследования. Все сказанное тем не менее не умаляет ценности данных по камуфлетному взрыву, так как на камуфлетной стадии диесипи-рует основная часть энергии заряда и эти результаты позволят яснее понять влияние различных факторов при взрыве на выброс,
В соответствие с вышесказанным, были проведены экспериментальные исследования влияния концентрации энергии заряда на параметры воронок выброса. В опытах, проведенных в том же песчаном грунте, что и исследования камуфлетног взрыва, с довольно высокой точностью регистрировались профили воронок выброса, их глубина и радиус на дневной поверхности.
Эти эксперименты и данные, полученные в них, безусловно не являются оригинальными, так как аналогичные исследования проводились ранее Н.В.Мельниковым и Д.Н.Марченко (7). Ими исследовалось влияние размеров ж формы воздушных полостей на объем воронки выброса в песчаном грунте. Эти исследования показали, что объем воронок выброса при подрыве зарядов в полостях может быть в 14 * 28 раз выше объема воронки при подрыве сосредоточенного заряда тог же веса. В их работах сформулированы гипотезы, объясняющие эффективность использования воздушных полостей, даются рекомендации для практиков, обобщаются данные опытных взрывов на карьерах*
В отличие от указанных выше исследований настоящая раб* та позволяет сопоставить результаты, полученные по выбросу, с данными по камуфлетному взрыву, т.к. и те, и другие были получены в одинаковых условиях и в дном и том же грунте. Кроме того, для описания влияния начальной воздушной полости при взрыве на выброс нами вводится эквивалент полости, кото-
-І5-
рый на наш взгляд дает более реальную оценку эффективности подрыва заряда в воздушных полостях.
Наряду с работами Н.В.Мельннкова широко известна работа В.Н.Родионова (9), в которой исследуется размер конечной полости в зависимости от плотности заряжания. Автором вдлу-чен выражение оптимальной плотности заряжания, обеспечивающее максимальный вытесненный объем грунта.
В последнее время был опубликован еще ряд работ, посвященных взрыву в воздушных полостях. Они касаются исследований взрывных процессов в глинах, эпоксидной смоле, мраморе и гипсе. Все эти среды отличаются п механическим свойствам от песчаного грунта и друг от друга, данные этих исследований довольно противоречивы и лишний раз подчеркивают необходимость детального исследования явления взрыва в слабосвязанном грунте, имеющем свой специфический характер диеешации энергии взрыва за счет кулоновског трения частиц среды, и быть осторожным при обобщении экспериментальных результатов, полученных в различных средах.
-и-
Чтобы не быть голословным, укажем, например, что при
взрыве в мраморе (12) уменьшение концентрации энергии приводит к уменьшению фронтовых параметров взрывных волн, их энергии, импульса и времени положительной фазы волны сжатия, а в эпоксидной смоле отмечен существенное влияние воздушной ударной волны и последующее действие газового давления (13), в то время как в глинах и суглинках концентрация энергии практически не влияет на объем котловой полости (28) ив малой степени изменяет параметры воронок выброса (10).
-i-
Большое мест в настоящей работе уделен также вопросам, связанным с фильтрацией продуктов взрыва в поровом пространстве грунта. Песчаный грунт, как и ряд естественных грунтов, является пористым, что приводит к возможности утечки продуктов детонации из камуфлети! полости в среду еще в процессе расширения полости. Другие грунты, например, скальные, становятся пористыми и трещиноватыми после прохождения ударной волны, дробящей породу, и за счет последующих больших сдвиговых деформаций. Однак, до сих пор эффектами утечки продуктов взрыва в поры среды пренебрегалоеь, хотя не делалось попыток оценить существенность этого явления и его влияния на параметры волны сжатия, размер котловой полости и воронки выброса.
Важность подобных исследований объясняется еще и тем, что насыпные песчаные грунты являются наиболее распространенной модельной средой, используемой в лабораторных экспериментах, в которых фильтрация газа нежелательна и должна быть каким-либо образом учтена.
Наши экспериментальные исследования позволили обнаружить явление частичной утечки продуктов взрыва в поры грунта, В работе приводятся данные, которые показывают, что утечка продуктов взрнва из полости увеличивает степень затухания волны в грунте и уменьшает размер котловой полости.
Наряду с экспериментальными исследованиями утечки продуктов взрыва, поставлены и численно решены задачи о фильтрации газа в грунт в квазистационарном приближении и нестационарная. Решение этих задач позволило восстановить кинетику процесса утечки и исследовать влияние ряда физических
параметров на явление утечки. В задачах используется закон Дарси с учетом линейного и квадратичного членов и предположение б адиабатическом расширении газа в порах грунта, при этом теплопередачей между фильтррщимся газом и скелетом грунта пренебрегаетея.
Указанные выше задачи были решены для случаев подрыва зарядов в воздушных полостях. А для взрыва сосредоточенного заряда был проведен экспериментальное исследование кинетики утечки газов. В опытах проводилось измерение давления продуктов взрыва в камуфлетной полости с помощью пьезометодики. По экспериментальным данным и расчетной адиабате продуктов взрыва (16) делается заключение об утечке газов.
Рассмотрение вопросов, упомянутых вышеі приобретает в в настоящее время все большее значение в евязи с перспективой использования мощных ядерных взрывов в народном хозяйстве* Хотя, обсуждаемые в литературе, возможные проекты этих взрывов предполагают их проведение в скальных грунтах, всегда вокруг полости будет существовать область сильно раздробленной и переизмельченной среды, которая по своим механическим свойствам близка к кулоновской среде. Ведущиеся в настоящее время исследования не только подтверждают это положение, но и направлены на количественное описание состояния раздробленной среды. Так; В.М.Цветков по результатам взрывных экспериментов в гипосульфите определил боковой распор среды в зоне дробления (30). Хотя боковой распор или коэффициент внутреннего трения может несколько меняться в зависимости от пористости среды или минералогического состава грунта; коэффициент внутреннего трения остается наиболее характерным параметром
-iS-
раздробленной среды, поэтому и экспериментальные и теоретические исследования взрывных процессов в песчаном грунте имеют большое практическое значение.
В связи с ядерными взрывами вопрос б утечке продуктов взрыва из полости в поровое пространств среды становится важным не столько из-за уменьшения эффективности действия заряда, сколько из-за нежелательности выхода радиоактивных продуктов на поверхность. Исследования американских ученых по программе *Плаушери (36) показывают, что проницаемость екальных пород после взрыва велика, так что фильтрация радиоактивных продуктов приводит к их распространению не только в столбе обрушения, но и к выходу в атмосферу. Вследствие этого, модельные исследования в песчаном грунте но утечке продуктов детонации могут послужить основой для постановки и решения теоретической задачи о фильтрации газа в норовом пространстве грунта, а алгоритм этой задачи и ее решение могут быть использованы для ответа на ряд вопросов, возникающих при рассмотрении утечки радиоактивных продуктов деления.
