Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Естественное электрическое и магнитное поле и методы его измерения 44
1.1. Аппаратурный комплекс для регистрации низкочастотных электрических и магнитных полей 45
1.2. Вариации и возмущения электромагнитного поля, генерируемые источниками естественного и техногенного происхождения 54
1.3. Выделение полезного сигнала, зарегистрированного на фоне периодической помехи 72
1.4. Выводы 80
Глава 2. Генерация электрического и магнитного поля при взрыве зарядов химических взрывчатых веществ в воздухе 82
2.1. Динамика процесса разлета продуктов взрыва в воздухе 85
2.2. Постановка экспериментов 91
2.3. Сигналы электрического и магнитного поля, генерируемые при взрыве в воздухе 101
2.4. Изменение амплитуды сигналов электрического поля с расстоянием от заряда ВВ 110
2.5. Модели распределения электрических зарядов в облаке продуктов взрыва 115
2.6. Генерация электрического поля воздушной ударной волной 143
2.7. Выводы 150
Глава 3. Генерация электрического и магнитного поля при взрывах на поверхности грунта 154
3.1. Динамика процесса развития взрыва заряда ВВ на поверхности грунта 154
3.2. Постановка экспериментов и описание экспериментальных площадок 165
3.3. Сигналы электрического и магнитного поля, регистрируемые на начальной стадии взрыва на поверхности грунта 174
3.4. Изменение амплитуды сигналов электрического поля с расстоянием от заряда ВВ на начальной стадии взрыва 179
3.5. Модели источников электрического и магнитного поля 185
3.6. Генерация электрического и магнитного поля в результате электрической поляризации горных пород 204
3.7. Электрическое поле пылегазового облака взрыва 225
3.8. Зависимость амплитуды сигналов электрического поля от расстояния до эпицентра взрыва и влияние масштаба взрыва на возмущения электрического поля атмосферы 232
3.9. Оценка концентрации пылеватых частиц в пылегазовом облаке взрыва 237
3.10. Электрические разряды в пылегазовом облаке взрыва и оценка электрического поля на больших высотах в атмосфере 241
3.11. Выводы 253
Глава 4. Генерация электрического и магнитного поля при подземных взрывах 259
4.1. Постановка экспериментов и описание экспериментальных площадок 259
4.2. Сигналы электрического и магнитного поля, регистрируемые на начальной стадии подземного взрыва 266
4.3. Модели источников электрического и магнитного поля 288
4.4. Электромагнитное поле, обусловленное электрической поляризацией горной породы при подземном взрыве 298
4.5. Возмущения электрического поля атмосферы при взрыве на выброс 306
4.6. Влияние свойств грунта на возмущения электрического поля 317
4.7. Зависимость амплитуды сигналов электрического поля от расстояния до эпицентра взрыва и от массы заряда ВВ 320
4.8. Выводы 326
Заключение 331
Литература 341
- Аппаратурный комплекс для регистрации низкочастотных электрических и магнитных полей
- Модели распределения электрических зарядов в облаке продуктов взрыва
- Зависимость амплитуды сигналов электрического поля от расстояния до эпицентра взрыва и влияние масштаба взрыва на возмущения электрического поля атмосферы
- Зависимость амплитуды сигналов электрического поля от расстояния до эпицентра взрыва и от массы заряда ВВ
Введение к работе
Астуальность темы. Интерес к проблеме генерации электрических и магнитных полей при импульсных воздействиях на геофизическую среду возник во второй половине двадцатого века. В настоящее время проводятся исследования данного явления в экспериментальном и теоретическом направлениях. Исследование генерации электрических и магнитных полей при импульсных воздействиях представляет интерес как с чисто научной, так и с практической точки зрения. С точки зрения геофизики процессы, происходящие при импульсных воздействиях интересны как важный механизм взаимодействия между геосферами Земли. Сильные импульсные возмущения связаны с выделением большого количества энергии и затрагивают все геофизи-^^кеские оболочки и геофизические поля.
^^ Среди импульсных источников, воздействующих на геофизическую среду,
можно выделить ряд источников имеющих взрывной характер: выделение газов из литосферы, извержение вулканов, удары космических тел различных размеров. Одним из искусственных источников, создающих импульсное воздействие на среду, является взрыв заряда взрывчатого вещества (ВВ). Процессы, связанные с разрушением и деформацией вещества, а также сопутствующие им электродинамические процессы, характерны как для взрывов зарядов ВВ в горной среде, так и для горных ударов, землетрясений и других менее интенсивных движений горной среды в зоне разломов. Предполагаемое сходство механизмов генерации электромагнитного поля при естественных процессах в земной коре и в процессе деформации и разрушения горной среды при подземных взрывах побудило исследователей использовать их для моделирования электромагнитных эффектов, поскольку взрывы зарядов ВВ могут быть проведены в инструментально контролируемых условиях: известен момент детонации заряда ВВ и известны физико-механические свойства горной среды вблизи заряда ВВ.
Интерес к данной проблеме связан также с необходимостью контроля за проведением ядерных испытаний. Широкое распространение взрывных технологий в гор-^Шрдобывающей промышленности и строительстве поставило вопрос о необходимости всестороннего изучения характеристик электрических и магнитных сигналов при химических взрывах в сопоставлении с эффектами подземного ядерного взрыва.
В настоящее время продолжается работа по подготовке системы контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). В ходе этой работы были получены данные, которые подтверждают высказывавшиеся еще при подготовке Договора аргументы о том, что взрывы химических ВВ могут быть использованы для сокрытия испытаний ядерного оружия. Это обстоятельство
может привести к тому, что многие из проводимых мощных химических взрывов мо
гут рассматриваться как «сомнительные» события, связанные с нарушением Догово
ра. Традиционные методы контроля (сейсмический, инфразвуковой и др.) в таких
случаях не всегда оказываются эффективными. Регистрация электрических и магнит
ных полей непосредственно на месте проведения химических взрывов могла бы про
яснить такие сомнительные ситуации. Договор предусматривает возможность вклю
чения дополнительных технологий мониторинга, «таких как электромагнитоим-
пульсный мониторинг», поэтому целесообразно развивать методы контроля, основан
ные на регистрации электромагнитных сигналов от подземных взрывов. Выяснение
механизмов генерации электрического и магнитного поля, условий формирования ис
точника сигналов электрического и магнитного поля, а также оценка его параметров
при проведении химических взрывов в различных средах позволит вплотную прибли»
зиться к разработке критериев, определяющих тип взрывного источника.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование низкочастотного электрического и мапіитного поля, генерируемого при воздействии взрыва заряда химического ВВ на различные среды. Исследования направлены на выяснение причин и ведущих механизмов возникновения электромагнитных эффектов, а также на получение оценок параметров источников электромагнитных сигналов при взрывах в воздухе, на поверхности грунта и подземных взрывах.
Методы исследований. Исследования выполнены на основе анализа данных натурных экспериментов с учетом геофизических данных о горных породах на экспериментальных площадках, численного моделирования процесса взрыва зарядов химических ВВ в воздухе, на поверхности грунта и под землей.
Научная новизна и значимость работы. Полученные экспериментальные данные определенно доказывают, что при взрывах зарядов химических ВВ происходит генерация электромагнитного поля. Воздействие взрыва на среды, отличающиеся по своей структуре и физико-механическим свойствам, приводят к возникновению электромагнитных эффектов, имеющих различную физическую природу. Вопросы, возникающие при изучении этих электромагнитных эффектов, требуют привлечение физических методов и подходов, относящихся к разным областям физики, и находят^ ся на стыке этих областей. На данном этапе исследований не существует адекватной теории генерации электрических и магнитных полей при воздействии взрыва зарядов ВВ на среду, а основным источником сведений об электромагнитных эффектах являются данные экспериментальных исследований, эмпирические зависимости и модели, построенные на базе этих данных. Работа в этом направлении находится на начальном этапе развития и ее можно квалифицировать как новое научное направление.
В диссертационной работе представлен обширный экспериментальный материал и получены следующие новые результаты:
Впервые получены параметры сигналов электрического и магнитного поля, генерируемых на различных стадиях процесса взрыва, в широком диапазоне масс зарядов ВВ и в средах, отличающихся по своей структуре и физико-механическим свойствам.
Анализ экспериментальных данных, полученных в сериях взрывов зарядов ВВ в воздухе, на поверхности грунта и подземных взрывах, позволил выявить отличия и характерные черты присущие сигналам электрического и магнитного поля для трех вышеуказанных случаев размещения зарядов ВВ.
Впервые проведены систематические исследования характера убывания амплитуды электромагнитных сигналов с расстоянием и зависимости от полярного угла при взрывах заряда ВВ в воздухе, на поверхности грунта и подземных взрывах.
Показано, что возмущения электрического поля, связанные с распространением воздушной волны взрыва, имеют локальный характер и обусловлены изменениями в ударной волне плотности объемного электрического заряда в приземном слое атмосферы.
Предложены модели распределения электрических зарядов в пространстве, с помощью которых были описаны сигналы электромагнитного поля при взрывах в различных средах. Предложены методы оценки параметров этих моделей на основе обработки записей электромагнитных сигналов, полученных в экспериментах.
Расчеты параметров электромагнитных сигналов показывают, что характер убывания сигналов с расстоянием от заряда ВВ, а также зависимость от полярного угла, могут изменяться в зависимости от условий проведения экспериментов. Определены критические расстояния, на которых эти изменения проявляются.
Впервые экспериментально исследована электрическая поляризация образцов гранита при динамическом нагружении в широком диапазоне давлений от единиц МПа до десятков ГПа.
Разработана модель электрической поляризации горной среды при взрыве в среде с нарушениями сплошности. Показано, что наличие структурных неоднородно-стей в горном массиве оказывает определяющее влияние на генерацию электромагнитного поля при подземном взрыве.
Предложен новый метод оценки концентрации и массы частиц грунта в пыле-газовом облаке взрыва, основанный на регистрации возмущений электрического поля атмосферы в ближней зоне взрыва.
Достоверность основных результатов подтверждается данными экспериментов и сравнением с известными данными, полученными другими исследователями, тестированием и калибровкой использованных датчиков и регистрирующих трактов, учетом критериев применимости использованных математических процедур и методов.
Практическая значимость. Результаты экспериментальных исследований, проведенных в полевых условиях с помощью приборного комплекса разработанного для регистрации электромагнитных сигналов при взрывах зарядов ВВ в различных средах, показывают, что данный комплекс может использоваться для решения более широкого круга геофизических задач, таких как, исследование электромагнитных эффектов, связанных с сейсмической активностью, процессами деформации и разрушения скальных пород в горных выработках.
Практическая ценность работы связана с решением задач, возникающих в результате проведения массовых взрывов на добывающих карьерах и при оценке экологических последствий этих взрывов. Разработанная в работе методика оценки концентрации и массы частиц грунта в пылегазовом облаке взрыва может быть полезной для установления размеров санитарно-защитных зон карьеров по фактору запыленности, а также общего количества выбросов аэрозольных частиц в атмосферу при разработке карьеров открытым способом.
Результаты совместной регистрации электромагнитных и сейсмических сигналов от промышленных взрывов дают возможность более точного, чем по сейсмическим данным, определения момента начала взрыва, при детальном изучении характеристик сейсмовзрывиых полей с целью описания пространственных особенностей волновых движений и оценки параметров трасс распространения сейсмических сигналов. Поскольку точное определение времени начала взрыва важно для интерпретации записей сейсмических сигналов при промышленном взрыве, который имеет сложную пространственную конфигурацию зарядов ВВ и систему временных задержек между подрывами групп скважин и блоков. Регистрация сигналов электрического и магнитного поля, проводимая в ближней зоне карьера с помощью разработанного і комплекса аппаратуры, позволяет определить момент начала взрыва с точностью, превышающей 1 мс. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментальные результаты, показывающие, что параметры сигналов электрического и магнитного поля, генерируемые на различных стадиях взрыва зарядов химических ВВ, существенно отличаются при взрывах в средах с различными
физико-механическими свойствами и структурой. В том числе отличается характер убывания амплитуды сигналов с расстоянием от заряда ВВ.
-
Модели распределения электрических зарядов и методы оценки параметров сигналов электрического и магнитного поля при взрывах в различных средах.
-
Модель электрической поляризации горной среды с нарушениями сплошности. Результаты расчетов электромагнитного поля на основе модели электрической поляризации горной среды при взрывах на поверхности грунта и подземных взрывах.
-
Эмпирические зависимости, связывающие параметры возникающего электрического поля с массой заряда ВВ и глубиной взрыва.
-
Метод оценки концентрации и массы частиц грунта в пылегазовом облаке взрыва по параметрам возникающего электрического поля.
^К Личный вклад автора состоит в формулировании общего методического под-
^^ хода к постановке экспериментов и разработке средств регистрации электромагнитных сигналов при взрывах зарядов ВВ, участии в проведении экспериментов, разработке методов интерпретации и анализа экспериментальных данных, разработке модели электрической поляризации горной среды при взрывах на поверхности грунта и подземных взрывах, решении ряда конкретных задач, связанных с расчетами электрического и магнитного поля при взрывах в воздухе, на поверхности грунта и подземных взрывах.
Апробация работы и публикации. Результаты исследования, представленные в работе, неоднократно докладывались на семинарах ИДГ РАН, а ранее на семинарах Спецсектора ИФЗ, докладывались на конференциях и симпозиумах: XXII Lunar and planetary science conference (Houston, USA), X Сипозиум по горению и взрыву (ОИХФ РАН, Черноголовка), Международный аэрозольный симпозиум (НИХФИ, Москва), Физические проблемы экологии (МГУ, Москва), Международная конференция - Освоение недр и экологические проблемы — взгляд в XXI век (ИПКОН РАН, Москва), III International workshop on magnetic, electric and electromagnetic methods in seismology and volcanology (MEEMSV; Moscow: Geoelectromagnetic Research Institute RAS). Пуб-^Ьликовались в отечественных и зарубежных журналах: ДАН СССР, Изв. АН СССР. Физика Земли, Физика горения и взрыва, Геомагнетизм и аэрономия, ФТПРПИ, Вопросы радиационной безопасности, Геоэкология, Геология и геофизика, Journal of geophysical research.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации включает 363 страницы, в том числе 135 иллюстраций. Список литературы содержит 252 наименования.
Аппаратурный комплекс для регистрации низкочастотных электрических и магнитных полей
Работа по разработке комплекса для регистрации сигналов электрического и магнитного поля при механических воздействиях на различные среды проводилась в ИДГ РАН непрерывно в течение последних 20-25 лет. За это время разработаны новые методики и принципиальные аппаратурные решения, подкрепленные практическими применениями [9,14].
При изучении геофизических явлений, сопровождаемых электромагнитным излучением ниже радиочастотного диапазона, как правило, регистрируют отдельно вариации электрического и магнитного поля. В средах с различной проводимостью их проявления различны. При проведении взрывов зарядов ВВ в воздухе наблюдаются большие амплитуды вариаций электрического поля в приземном атмосферном слое атмосферы, в то время как в подземных экспериментах амплитуда возмущений электрического поля в воздухе значительно уменьшается и увеличивается амплитуда возмущений электрического и магнитного поля в грунте.
В ИДГ РАН разработаны и испытаны первичные преобразователи электрического и магнитного поля, согласованные с измерительными каналами для регистрации электромагнитных сигналов в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. К настоящему времени сформирован законченный измерительный комплекс, в который входят приборы для измерения электрического ПОЛЯ в воздухе и грунте, магнитного поля, система регистрации и хранения сигналов [14]. В измерительный комплекс по мере необходимости регистрации других физических величин включаются соответствующие датчики. Питание системы регистрации, также как и датчиков электрического и магнитного поля, осуществляется автономно от встроенных аккумуляторов. На рис. 1.1а представлена блок-схема измерительного комплекса, использованного при проведении экспериментов с взрывами зарядов химического ВВ. На рис. 1.16 приведена фотография компьютера типа Notebook, который вместе с аналого цифровым преобразователем (АЦП) смонтирован в отдельном корпусе, индукционного магнитометра и электрической антенны.
В этот комплекс входят следующие типы приборов для электрических и магнитных измерений:
I. Электрометры (пассивные электрические антенны с чувствительными электронными усилителями) для частотного диапазона 1 Гц - 10 кГц (рисЛ. 16). Электрометры имеют по три выходных разъема:
1. Первый выход соответствует первому рангу чувствительности 26мВ/В/м
2. Второй выход 260мВ/В/м
3. Третий выход 2600мВ/В/м Совместное использование 1, 2 и 3 выходов обеспечивает измерение вариаций поля в широком амплитудном диапазоне (от 0,001 В/м до 400 В/м).
Предусмотрены дополнительные возможности - измерения в полосе 15 Гц-10 кГц, если это необходимо. Такая возможность оказывается полезной, когда при измерениях поля с максимальной чувствительностью возникают нежелательные эффекты от низкочастотных пульсаций (например, пульсации скорости ветра вызывают изменения напряженности электрического поля в герцовом диапазоне частот). Узкополосный режекторный фильтр обеспечивает подавление промышленной помехи 50 Гц. Эти приборы были использованы для измерения вертикальной компоненты электрического поля в приземном слое атмосферы.
II. Электростатический флюксметр.
Для измерений в самом низкочастотном диапазоне используется электростатический флюксметр механического типа. Он может регистрировать электрические поля в частотном диапазоне от 0 до 200 Гц с амплитудами от 1 В/м до 2000 В/м. На рис. 1.2 приведена фотография датчика измерителя напряженности электрического поля (ИНЭП). Эти приборы были использованы для измерения вертикальной компоненты электрического поля в приземном слое атмосферы.
III. Индукционные магнитометры для трехкомпонентных измерений. Магнитометр состоит из магнитного датчика, предусилителя, интегратора и выходного каскада. Магнитный датчик с ферритовым концентратором поля и предусилителем расположен в цилиндрическом винипластовом корпусе. Эк ранированный кабель соединяет корпус магнитометра с электронным блоком.
Изготовлены индукционные магнитометры трех типов:
1. Низкочастотный тип магнитометра для диапазона 0,1 - 20 Гц. Магнитометр имеет коэффициент передачи по полю 3 мВ/пТл.
2. Среднечастотный тип магнитометра для диапазона 40 Гц - 1,5 кГц (рис. 1.16). Магнитометр имеет коэффициент передачи по полю -20 мВ/пТл.
3. Высокочастотный тип магнитометра для диапазона 500 Гц - 10 кГц. Магнитометр имеет коэффициент передачи по полю 20 мВ/пТл.
На рис. 1.3 представлена фотография электрической антенны для измерения вертикальной компоненты электрического поля и индукционного магнитометра для измерения вертикальной компоненты магнитного поля, которые установлены на экспериментальной площадке во время проведения одного из опытов.
"IV. Магнитометры на эффекте Холла обеспечивают измерения магнитного поля от нулевой частоты до 30 кГц и имеют порог чувствительности 20 нТл.
V. Прибор для измерения горизонтальных компонент электрического поля в верхних слоях почвы. В разработанной методике используются металлические электроды, заглубляемые в почву. Измерения проводятся в полосе частот 1 Гц - 10 кГц в трёх диапазонах чувствительности с коэффициентами передачи 0,1 В/(мВ/м), 1 В/(мВ/м) и 10 В/(мВ/м).
VI. Система регистрации сигналов позволяет производить запись и хранение измеряемых сигналов, как в цифровом, так и в аналоговом виде.
Цифровая регистрация. Аналоговые сигналы с датчиков поступают на 32 канальный (или 16 дифференциальных входов) аналого-цифровой преобразователь Е-330, а затем в цифровом виде передаются на компьютер типа NoteBook.
Модели распределения электрических зарядов в облаке продуктов взрыва
Важным обстоятельством является то, что на данном этапе изучения электромагнитных эффектов при взрыве зарядов ВВ не существует адекватной теории генерации электрического и магнитного поля при взрыве. Рассматривается лишь набор физических механизмов, которые могут привести к генерации электрического и магнитного поля, и на их основе делаются оценки возможных электромагнитных эффектов. Поэтому на сегодняшний день основным источником сведений об электромагнитных эффектах при взрыве зарядов ВВ являются данные экспериментальных исследований и эмпирические зависимости и модели, построенные на базе этих данных.
Анализ электрических и магнитных сигналов при взрывах зарядов химических ВВ целесообразно проводить в соответствии с этапами развития процесса взрыва во времени. На рис. 2.1 схематично приведена r диаграмма процесса взрыва сферического заряда ВВ в воздухе при инициировании его из центра, а на рис. 2.6 представлены результаты гидродинамического расчета движения ПВ при инициировании заряда ВВ массой 3 кг из верхней и из нижней точек его поверхности. В соответствии с r диаграммой можно выделить три основных фактора, которые могут оказать влияние на генерацию электромагнитных сигналов при взрыве: 1 - детонационная волна (ДВ), представляющая собой комплекс детонационного фронта и зоны химической реакции; 2 - продукты взрыва (ПВ); 3 - воздушная ударная волна (ВУВ).
Оценим время распространения детонационной волны по заряду ВВ для экспериментов, список которых приведен в табл. 2.1. В этих экспериментах были использованы заряды ВВ имеющие форму сферы с диаметром 0,15 м, цилиндра с диаметром 0,06 м и высотой 0,42 м и куба с ребром «0,11 м. Оценки времени D распространения ДВ по заряду ВВ при инициировании с поверхности дают следующие значения. Для сферического заряда ВВ fa при скорости распространения ДВ 7000 м/с, не превышает 21 мкс, для цилиндрического - 60 мкс и для кубического - 16 мкс. Следовательно, характерные времена сигналов электрического и магнитного поля, которые возникают при распространении детонационной волны по заряду ВВ, не будут превышать десятков микросекунд.
Генерация сигналов электрического поля в мегагерцовом диапазоне частот исследовалась в лабораторных экспериментах [126-129] и в большинстве случаев продолжительность записей составляла 100 мкс. Сигналы электрического поля регистрировались на расстояниях 1 - 5 м (амплитуда чаще всего выражалась в единицах напряжения, а не в единицах напряженности электрического поля, что затрудняет сравнение данных). На записях сигналов наблюдаются сравнительно короткие нерегулярные выбросы, которые начинаются практически с момента инициирования заряда ВВ и заканчиваются через десятки микросекунд, что соответствует времени распространения ДВ по заряду. В работе [128] было отмечено, что амплитуда высокочастотных импульсов мала по отношению к амплитуде импульсов на более поздних временах ( 1 мс). Результаты экспериментальных исследований, представленные в [216], также подтверждают утверждение, высказанное в работе [128].
Многие исследователи обращают внимание на то, что область детонационного фронта и зоны химических реакций являются источником заряженных частиц и называется ряд возможных механизмов генерации электромагнитного поля [80, 124, 138]. В этой области наблюдается высокая электропроводность и концентрация заряженных частиц (по оценкам [124] эта величина составляет 1018-1020 см"3). Однако, теоретические оценки напряженности электрического и магнитного поля, связанные с эффектами поляризации ВВ за детонационным фронтом и генерацией поля движущимися электрическими зарядами, дают значения не превышающие 10 В/м для электрического поля и 10"6 А/м для магнитного поля на расстоянии г \ м от заряда ВВ массой 1 кг, что на несколько порядков ниже величин, регистрируемых в экспериментах [134-136] на временах 1 мс. Вероятно, на этой стадии взрыва не происходит разделения электрических зарядов в пространстве на макроскопические расстояния, достаточные для того, чтобы сигналы электрического и магнитного поля уверенно регистрировались на расстояниях в десятки метров как это происходит на более поздней стадии взрыва.
Следующая стадия процесса взрыва - это расширение ПВ и последующее перемешивание с окружающим воздухом. Достаточно детально качественная модель возникновения электрического импульса при взрывах зарядов ВВ на этой стадии рассмотрена в [134, 138]. Для обработки в этих работах были использованы записи сигналов электрического поля длительностью 3 -5 мс. Анализ записей сигналов электрического поля при взрывах зарядов ВВ воздухе, представленных в разделе 2.3, показывает, что резкое увеличение амплитуды Ez(f) начинается приблизительно через время 1 мс после детонации заряда ВВ массой 2 - 3 кг, а время нарастания переднего фронта сигнала лежит в пределах 0,1-1 мс. В работе [130] для времени tm достижения максимального значения сигнала электрического поля после детонации заряда ВВ с массой т приведена эмпирическая зависимость: tm=k-туз, где tm измеряется в миллисекундах, т в кг, =0,7±0,05. Для заряда массой 2 - 3 кг получаем tm 0,88 - 1 мс , что соответствует данным, представленным в разделе 2.3.
Как видно из рис. 2.6 при взрыве заряда ВВ массой 3 кг облако ПВ на момент времени 1,24 мс занимает область радиусом 1 м, а температура не превышает нескольких сотен градусов (рис. 2.4). Фронт УВ находится на расстоянии «1,5 м, а температура ударно-сжатого воздуха составляет 2000 С (рис. 2.5). Следовательно, к моменту 1 мс, когда наблюдается резкое увеличение амплитуды сигналов электрического поля, ПВ практически остыли, а УВ уже не приводит к интенсивной ионизации воздуха за фронтом.
Таким образом, процессы, происходящие на ранней стадии расширения ПВ (радиус области с ПВ не превышает 5 - 10 радиусов заряда ВВ), когда ПВ имеют еще высокую температуру и, соответственно, электропроводность, а ударная волна сильно ионизирует воздух и вызывает его свечение, дают малый вклад в генерацию электрического и магнитного поля. По-видимому, процессы, происходящие на поздней стадии расширения ПВ в атмосфере, дают основной вклад в генерацию электрического и магнитного поля при взрывах в воздухе.
Как следует из газодинамических расчетов взрыва заряда ВВ массой 3 кг, расположенного на высоте 2 м от поверхности грунта (рис. 2.6), уже в момент времени t = 1,24 мс область, занятая ПВ, смещена («0,25 м) в направлении точки инициирования ВВ. В более поздние моменты времени t = 2-l мс возникает течение ПВ в этом направлении, приводящее к развитию асимметрии облака ПВ. В дальнейшем происходит контакт ПВ с поверхностью грунта и отражение от этой поверхности, что еще усиливает асимметрию облака ПВ. Предположение о том, что одним из определяющих факторов в формировании возмущений электрического и магнитного поля является асимметрия взрыва находится в соответствии с работами [130,134].
Еще одним из определяющих факторов в качественной модели возникновения электрического импульса при взрывах зарядов ВВ в воздухе является наличие твердых частиц [134, 135, 141]. Как было отмечено выше, электрические заряды возникают и релаксируют на стадии детонации ВВ. На этой же стадии зарождаются частицы углерода, которые имеют возможность накапливать на себе электрический заряд. На стадии расширения ПВ появляются другие процессы, приводящие к возникновению и релаксации электрических зарядов, в частности, электрокинетические процессы. В результате присутствия в ПВ заряженных твердых частиц (возможно с широким диапазоном распределения по размерам) и развития асимметрии облака ПВ, электрические заряды разделяются на мароскопические расстояния, что приводит к возможности регистрации сигналов электрического поля на расстояниях в десятки и сотни метров.
Зависимость амплитуды сигналов электрического поля от расстояния до эпицентра взрыва и влияние масштаба взрыва на возмущения электрического поля атмосферы
Сосредоточенные на частицах грунта и газообразных продуктах взрыва электрические заряды представляют собой объемный электрический заряд с довольно сложным распределением плотности положительных и отрицательных зарядов в пространстве. Имея в распоряжении записи изменений Ez(f) на различных расстояниях от облака взрыва и зная как изменяется местоположение облака в атмосфере с течением времени, можно судить об изменении распределения электрических зарядов в пылегазовом облаке, но задача не является однозначной, поскольку одно и тоже наблюдаемое изменение Ez(t\ может быть вызвано различным расположением электрических зарядов в пространстве. Однако, оценки величин электрических зарядов, а также дипольного момента пылегазового облака взрыва, можно получить сделав ряд упрощающих допущений, прежде всего, относительно характера расположения электрических зарядов в пространстве.
В процессе подъема вихревого кольца в атмосфере наблюдается симметрия относительно вертикальной оси самого кольца и примыкающей снизу пылевой колонны, поэтому будем считать, что объемный электрический заряд, находящийся внутри вихревого кольца, также имеет осевую симметрию. Наиболее простая модель расположения электрических зарядов в пылегазовом облаке была рассмотрена в разделе 2.5, а схема расположения эффективных электрических зарядов представлена на рис. 2.20. Вертикальная компонента напряженности электрического поля на поверхности грунта описывается выражением (2.2). Эта модель пригодна для описания электрического поля на расстояниях много больших, чем характерные размеры облака взрыва. Возможно, геометрии пылегазового облака больше соответствует следующая модель: два эффективных электрических заряда q\ и qi расположены на высотах h\ и /г2 от поверхности земли; первый эффективный заряд является точечным, а второй - представляет собой нить. В этом случае вертикальная компонента напряженности электрического поля на поверхности грунта, который считаем идеальным проводником, описывается выражением [31, 142]
Обе модели содержат четыре неизвестных параметра, которые могут быть найдены на основе метода наименьших квадратов и наличия записей Ez(t) в пяти и более точках на различных расстояниях от заряда ВВ. Так как пылегазовое облако с течением времени поднимается вверх и сносится ветром, то в формулах (2.2) и (3.29) необходимо учитывать поправки к исходным расстояниям, связанным с изменением положения облака относительно измерительных приборов. Расчеты с использованием формул (2.2) и (3.29) дают довольно близкие значения эффективных электрических зарядов.
Для взрыва заряда ВВ массой 500 тонн (1985 год) параметры в выражении (3.29) были рассчитаны для момента времени =40 с, который соответствует максимальным значениям напряженности электрического поля в записях Ez(t): !=1,3±0,1 Кл, /JI=(1,39±0,06 103 м, q2= -0,4±0,1 Кл, A2=(3 0±0,6)-10 м. На рис. 3.38а и рис. 3.386 приведены зависимости величины вертикальной компоненты, Е2, электрического поля от расстояния, г, для момента времени ґ=40 с и нанесены экспериментальные значения. На рис. 3.38в и рис. 3.38г приведены зависимости величины вертикальной компоненты, Ez, электрического поля от расстояния, г, для момента времени ґ=50 с для второго взрыва 500 тонного заряда ВВ. Неизвестные параметры в этом случае равны: і=0,40±0,03 Кл, /zi=(4,7±0,5 102 м, =-2,5+0,1 Кл, h2={\,37+0,09)-10 м. Из рисунков видно, для данного диапазона расстояний расчетные зависимости находятся в хорошем согласии с экспериментом.
Величины эффективных электрических зарядов для первого и второго 500 тонных взрывов отличаются по величине и месту расположения в пространстве. Такое представление распределения электрических зарядов в пространстве является весьма упрощенным, однако, позволяет выделить качественное различие в структуре пылегазовых облаков, образовавшихся после этих взрывов. В пылегазовом облаке содержатся сосредоточенные на частицах грунта и пыли как положительные, так и отрицательные электрические заряды. С течением времени происходит релаксация электрических зарядов пылегазового облака, связанная с осаждением твердых частиц в гравитационном поле и рассеянием облака воздушными атмосферными потоками.
При обработке записей изменений Ez(t) с использованием выражения (3.29) были вычислены величины эффективных электрических зарядов в пы-легазовом облаке взрыва для различных масс ВВ от 0,023 кг до 106 кг. На рис. 3.39а приведена зависимость абсолютной величины максимального электрического заряда, Q, пылегазового облака от массы, С, заряда ВВ. Эта зависимость может быть описана эмпирической формулой
Выражения (3.30) и (3.31) позволяют сделать оценки электрического заряда, находящегося в пылегазовом облаке, по диаметру воронки выброса или по массе заряда ВВ и, в частности, могут быть использованы для экстраполяции на более крупный масштаб взрыва.
Зависимость амплитуды сигналов электрического поля от расстояния до эпицентра взрыва и от массы заряда ВВ
Анализ экспериментальных данных, полученных при проведении серий взрывов на выброс показывает, что низкочастотные возмущения электрического поля в приземном слое атмосферы обусловлены движением электрически заряженных купола выброса и облака взрыва и имеют общие характерные черты с возмущениями E2(f), которые генерируются пылегазовым облаком при взрывах зарядов ВВ на поверхности грунта. Для описания изменений вертикальной компоненты напряженности электрического поля воспользуемся моделью распределения электрических зарядов в пылегазовом облаке взрыва, которая была рассмотрена в разделе 3.8. В этом случае вертикальная компонента Ez(t) на поверхности грунта, который считаем идеальным проводником, описывается выражением (3.29). Неизвестные параметры, входящие в (3.29), являются функциями времени и могут быть найдены на основе обработки записей Ez(f), полученных на различных расстояниях от заряда ВВ.
На рис. 4.31 представлены сигналы Ez(t), полученные при взрыве заряда ВВ массой С = 12,8 кг и глубиной заложения W = 0,5 м на пяти различных расстояниях г от эпицентра. Неизвестные параметры, входящие в (3.29), были рассчитаны для момента времени ґ = 10 с, который соответствует максимальным значениям напряженности электрического поля на записях EZ(J), и представлены в таблице 4.4. Заметим, что, как и в случае взрыва на поверхности грунта, пылегазовое облако взрыва с течением времени поднимается вверх и сносится ветром, в расчетах были учтены поправки к исходным расстояниям, связанные с изменением положения облака относительно измерительных приборов. При этом расстояния, на которых были расположены датчики поля, существенно превышают размеры пылегазового облака взрыва.
На рис. 4.40 приведены зависимости величины вертикальной компоненты Е2 электрического поля от расстояния г для момента времени /=10 с и нанесены экспериментальные значения. Из рисунков видно, для данного диапазона расстояний расчетные зависимости находятся в хорошем согласии с экспериментом.
Результаты расчетов эффективных электрических зарядов показывают, что при фиксированной массе заряда ВВ величина эффективного электрического заряда изменяется с глубиной взрыва и эта зависимость подобна зависимости амплитуд Е+г и Е от глубины W (рис. 4.33). Для трех значений массы заряда ВВ на рис. 4.42 представлена зависимость величины эффективного электрического заряда от глубины W, рассчитанная для моментов времени соответствующих максимальным значениям амплитуд сигнала Ez(t) в отрицательной фазе. Видно, что представленные зависимости имеют характерный максимум, который соответствует одинаковой приведенной глубине взрыва W/Cm = 0,2 - 0,3 м/кг1/3. Зависимость величины эффективного электрического заряда от глубины W, рассчитанная для моментов времени соответствующих максимальным значениям амплитуд сигнала Ez(f) в положительной фазе имеет вид, аналогичный приведенному на рис. 4.42, величины электрических зарядов довольно близки по абсолютным значениям. Таким образом, максимальная величина эффективного электрического заряда образуется при взрывах на приведенной глубине W/Cw = 0,2 - 0,3 м/кг1/3.
Результаты расчетов эффективных электрических зарядов, сосредоточенных в пылегазовом облаке взрыва, для серий взрывов малого масштаба, а также экспериментальных шурфовых взрывов зарядов ВВ массой С= 3,2-105 кг и промышленного взрыва с массой С= 2,6-10 кг позволили построить зависимость максимальных значений электрического заряда Q от массы С заряда ВВ. Эта зависимость может быть описана эмпирической формулой Q = k-C-5±0-09, (4.9) где С в кг, Q в Кл, а к = 2-Ю"4. Коэффициент к в формуле (4.9) определяет эффективность взрыва на выброс в отношении образования электрического заряда в облаке взрыва в расчете на единицу массы заряда ВВ. На рис. 4.43 представлены результаты расчетов максимальных значений электрического заряда в зависимости от массы заряда ВВ и зависимость (4.9).
