Взрывы в земной коре

Ничтожна толщина земной коры в масштабе нашей планеты. Однако эта относительно тонкая оболочка но только уверенно несет на своих плечах груз человеческих цивилизаций — каменные города-гиганты весом миллиарды тонн, но и является единственной огромной кладовой минеральных богатств. Глубокие и сверхглубокие шахты, котлованы карьерой, площадью в десятки квадратных километров, сотни тысяч буровых скважин ежегодно выкачивают либо выдают «па-гора» миллиарды тонн полезных ископаемых. Не меньшая доля приходится и на попутно вынимаемые горные породы. Но земная кора выдерживает это — ее слагают крепкие и сверхкрепкие породы — граниты и базальты.

В течение многих столетий перед крепостью этих и многих других горных пород, называемых скальными, были беспомощны кайло и лопата, приводившиеся в действие мускульными усилиями человека. В XIX в. их сменили паровой экскаватор и врубовая машина, по им по силам оказались лишь горные породы невысокой крепости. Даже современные нам горные комбайны и электрические экскаваторы-гиганты не могут подступиться к особенно крепким породам земной коры. И вот здесь человек обратился за помощью к взрыву. В последние десятилетия, когда в связи с темпами развития научно-технического прогресса особенно возросли потребности в минеральном сырье, нарывные работы приобрели повсеместное распространенно. Только за 00-е годы в СССР взрывным способом добыто 40 млрд. т минерального сырья.

Механизм работы взрыва в горных породах сложен. Работа взрыва начинается в тот момент, когда волна, вызвав детонацию ВВ. переходит границу раздела между зарядом ВВ и породами земной коры. Этот переход характеризуется резким повышением давления и эквива-

лентен удару по среде: в ней возникает своеобразная волна сжатия, распространяющаяся в среде со сверхзвуковой скоростью. Взрывные волны изменяют состояние среды на больших расстояниях от места взрыва, намного превышающих радиус расширения продуктов взрыва.

Между фронтом ударной волны и границей, разделяющей продукты взрыва и среду, образуется область, где вещество среды сжато и движется в сторону распространения ударной волны. Течение вещества среды складывается из сменяющих друг друга фаз сжатия (движение вслед за фронтом волны) и разрежение (торможение и движение в противоположную сторону). Таи как движение в фазе разрежения имеет меньшую скорость, то в итоге вещество среды перемещается в направлении ударной волны.

Совокупность ударного фронта и сопутствующих ему фаз сжатия и разрежения получила название взрывной волны.

Разрушительное действие взрывной волны определяется ее энергией, которая всецело зависит от энергии взрыва, а следовательно, от его удельной теплоты. Поэтому, моделируя взрыв, пользуются энергетическим законом подобия, что позволяет сравнивать между собой взрывы даже существенно разной природы (например, атомные и химические).

Ударная волна характеризуется пятью главными параметрами: давлением на фронте, плотностью и температурой вещества среды на фронте, скоростью распространения фронта и, наконец, скоростью потока вещества среды за фронтом. Уравнения сохранения массы, количества движения, энергии и уравнение состояния среды дают четыре соотношения между пятью главными параметрами ударной волны. Задавая любой из этих параметров, определяют остальные.

Взрыв в массиве горных пород — наиболее сложен по своей природе, так как приходится, иметь дело со средой исключительно неоднородной по химическому составу и физическому состоянию.

Если свойства металлов изучены достаточно хорошо и в принципе стабильны, то грунты и горные породы — эти двух- или трехкомпонентные системы (твердый скелет, газ, жидкость) в каждом конкретном случае индивидуальны. Даже незначительное но объему количество

жидкости (воды) и газа (воздуха) в грунте сильно влияет на время действия взрывной волны: к водонасыщенных грунтах оно гораздо меньше, чем неводонасыщенных. Кроме того, сжимаемость воды во много раз меньше, чем скелета, поэтому именно вода оказывает основное противодействие сжатию водонасыщенного грунта в целом.

При подземном взрыве ударная волна очень быстро преобразуется в волну напряжения с более медленным нарастанием на фронте. Учитывая, что при взрыве про-мышленных ВВ ударная волна наблюдается на расстоянии 2—5 радиусов заряда, то для анализа движения среды представляет интерес волна напряжений сжатия в не-упругодеформируемой среде.

Особую роль при анализе подземного взрыва играет рассмотрение процесса формирования полости в массиве горных пород за счет высокого давления продуктов детонации. Наиболее важное значение имеют здесь прочностные характеристики среды. Размеры полостей, образующихся при подземных камуфлетных взрывах, сильно зависят от механических свойств среды и меняются в широком диапазоне — при взрыве заряда весом 1 т в раз-

личных горных породах получается полость объемом от нескольких кубических метров до нескольких

сот кубических метров.

Действие газообразных п подуете;; гзрыпа можно ерав-

~еду го с г.: гсо-

кой скоростью (что соотвотетиуп' наибольшей скорости разлета продуктов взрыва), затем диилгсппо его замедля-стся (продукты взрыва сильно расширяются) гг. наконец, лргкращаотея (скорость разлета равна пулю).

Ближняя к заряду зона — обллстг- больтгх и пеупру-гпх деформаций, дяльпяя—• почти упругих деформаций.

В ближней зопо, если средой являются хрупкие горные породы, помимо их механического разрушения, в топком слое, примыкающем к газовой камере, под воздействием высокого давления и температуры изменяется кристаллическая структура и наблюдаются фазовые превращения. В пластичных горных породах происходят пластические деформации. В пределах зоны разрушения порода находится в состоянии всестороннего сжатия. В области упругих деформаций рад пал г.пыс напряжения ся сживающими, а та иге ни палы г ыс (а,_г) лге становятся растягивающими (рис..4).

Конечный результат взрыва оценивается произведен-ной им работой. Принято различать общее (фугасное) и измельчающее (бризантное) действие взрыва. Работа по разрушению и перемещению среды определяется полной энергией, выделившейся при взрыве. Работа в форме бризантного действия совершается на границе заряда и пропорциональна плотности энергии на фронте детонационной волны, т. е. давлению детонации.

Доля энергии, расходуемая на приконтактное измельчение, весьма мала; основная роль здесь принадлежит давлению — силе, которая, действуя на крайне малом пути (молекулярные размеры), оказывается достаточной для нарушения сплошности твердого тела, для его дробления. Наиболее эффективна эта работа при наличии сколько-нибудь заметных дефектов в массиве. Например, в массиве горных пород обычно имеется огромное количество хаотически расположенных структурных дефектов (пор, каверн, микро- и макротрещин). Элементы среды с дефектами разрушаются при взрывных нагрузках в первую очередь.

Наиболее достоверной является такая схема развития взрыва (предложена М. А. Садовским и В. Н. Родионовым), при которой горная порода отождествляется с жидкостью до тех пор, пока давление в полости и па фронте ударной волны не уменьшится настолько, что нельзя будет пренебречь разницей компонент напряжений даже в отдельных частицах (монокристаллах) породы. Соответствующий гидродинамический (нулевой) этап развития взрыва завершается, когда давление в полости становится примерно равным прочности монокристаллов. Ограничиваясь упрощенным описанием нулевого этапа, полагаем, что расширение полости происходит как бы за счет смещения несжимаемой жидкости. Первый этап взрыва — действие ударно-разрушающей волны. По горной породе распространяется ударная волна, напряжения на фронте которой превышают предел прочности породы на раздавливание; между расширяющейся полостью и фронтом ударной волны происходит движение раздробленного материала.

Второй этап — динамическое расширение полости. Начинается он с момента, когда скорость фронта разрушения становится меньше скорости упругого предвестника. Квазистатическое давление продуктов детонации обеспечивает квазистатические напряжения в среде и перемещение разрушаемого материала, которое происходит между фронтом волны разрушения (раздавливания) и полостью. Среда перед фронтом разрушения считается упругой.

Третий этап — распространение упругих волн. Его началом является момент остановки границы зоны разрушения, когда движение сохраняется только в упругой внешней зоне.

Если признать сопротивление взрыву со стороны среды, которую будем считать неограниченной, равномерным в любом направлении, то очевидно, что взрывные возмущения образуют концентрические сферы. Первая от заряда сфера подвергается, естественно, наиболее сильному воздействию, которое приводит к пластической деформация среды и сильному измельчению (скальные породы) или сжатию (пластичные породы). Эта первая сфера названа сферой сжатия или измельчения. За границей этой сферы воздействие взрыва ослабевает — он образует в массиве трещины и нарушает сплошность среды. Это — сфера разрыхления. Покидая сферу разрыхления, волна

возмущения теряет силу своего воздействия и способна вызвать лишь колебательное движение частиц среды, по нарушая связей между ними. Это наиболее обширная по масштабам сфера сотрясения или сейсмического действия взрыва.

Такая условная картина действия взрыва характеризует работу только одной его составляющей — волны напряжений. Вторая составляющая — квазистатическое давление газообразных продуктов детонации. Попробуем совместить в единое целое эти оба рычага взрыва.

В результате взрыва, как мы знаем, образуется ударная волна, которая прокладывает равномерно во все стороны от заряда радиальные трещины (рис. 4, а). В это время остаточное давление газа в зарядной камере еще велико и может составлять 1 — 5 кбар. Под действием этого давления газовый поток устремляется б трещины. Скорость потока может оказаться достаточно высокой, и в этом случае газ достигнет вершины трещины. Так как течение газа в узкой трещине связано с заметными гидродинамическими и тепловыми потерями, то скорость течения только вначале немного превышает скорость распространения трещины. Но даже если давление газа в трещине быстро уменьшается, он играет роль рычага или раскалывающего клипа, воздействующего па поверхность трещины в области, ближней, к заряду, и тем самым увеличивает растягивающие напряжения в вершине тре-щины.

Этот эффект имеет большое значение для длинных трещин. Трещины прорастают значительно медленнее, чем мчится взрывная волна (4000 — 5000 м/с), которая отражается от поверхности в виде волны разрежения. Взаимодействие с отраженной волной разрежения придает радиальным трещинам большую скорость развития, которая близка к скорости распространения трещин, ориентированных параллельно фронту волны, т. е. развивающихся под углом 10—40° к свободной поперхности. Продвигаясь вперед, эти трещины ослабляют окружающий материал, вследствие чего снижается в дальнейшем скорость распространения радиальных трещин. В то же время самые длинные трещины от свободной поверхности могут достигать зарядной полости. Среда смещается к свободной поверхности и начинает прогибать ее вверх (рис. 4, б). Это прогибание, или вспучивание, поверх-

V

ности затрудняет рост тех радиальных трещин, которые растут перпендикулярно поверхности (сжимает их) и, наоборот, способствует росту трещин под углом к поверхности. Возникает и вторая система трещин — от свободной поверхности — к заряду, появление которых обусловлено растягивающими напряжениями изгиба (рис. 4, в). Наличие развитой сети произвольно ориентированных тре-щин увеличивает степень разрушения твердого массива.

Продукты детонации завершает процесс разрушения вы-бросом материала, в результате которого образуется выемка (рис. 4, г.)

Рассмотренная пами качественная сущность современ-пых взглядов па механизм разрушения горных пород взрывом сформировалась в течение последних четырех десятилетий. Длительное время до этого ученые и практики не выходили за пределы установления несложных объемных закономерностей (например, отношение объема взрываемого ВВ к объему воронки выброса).

Истоки теории действия взрыва в горных породах восходят к 18 в., когда французский военный инженер де Вилль в 1628 г. предложил первую в истории взрыв-ного дела формулу, по которой величина заряда была равна к произведению линии наименьшего сопротивления на коэффициент, характеризующий свойства грунта,— так называемый коэффициент грунта. Формула была улучшена в том же веке знаменитым военным инженером маршалом Себастианом Пьер Вобаном (1633—1707). который полагал вес заряда пропорциональным объему конуса выброса. Спустя 22 года поело смерти Вобана вышла книга «Новая теория минного искусства, в которой впервые были сформулированы научные основы теории взрывного

КЧ1ПП1 — 1'еперал французской армии

Бернар Бслпдор (1608—1761) предположил, что в результате взрыва возникают три сферы: сжатия, разрушения п сотрясения. В 1725 г. Белпдор произвел 12 опытных взрывов в Ла-Фере (первый случай цедспапраолеппого промышленного эксперимента в этой области), которые под-тнердплн его теоретические предположения (1720—1724), что заряды горнов (С) пропорциональны кубам радиусов взрына (/г):

С = 0,529 № (уменьшенный горн); С =1,5 /?/ (нормальный горн); С— 16,77 /г³ (усиленный горн).

Формулы Белидора впоследствии уточнялись многими учеными, предлагались новые формулы для расчета веса заряда. Например, профессор Джон Мюллер исходил из предположения, что заряды пропорциональны разностям между вторыми и первыми степенями радиусов взрыва, а генерал Мареско полагал пропорциональность зарядов

Дальнейшие опыты в этом направлении пропел в 1933 г. Е. Орован, который изучал прочность на растяжение образцов листовой слюды. Его работы подтвердили вывод Л. Ф. Иоффе о том, что дефекты по продольным краям образца резко снижают прочность. Орован предположил, что предел прочности для хрупких материалов снижается с увеличением размеров образца, поскольку вместе с этим возрастает и вероятное количество слабых участков в образце. Позднее, в 1939 г., В. Вайбулл дал объяснение этому явлению на статистической основе. Вполне вероятно, что эти работы были знакомы профессору Ленинградского горного института М. В. Мачинскому, который в середине 30-х годов выдвинул положение о том, что существенное влияние на результат дробящего действия взрыва в горных породах оказывают число слабых мест па единицу объема породы и скорость распространения: трещин в пей в сопоставлении со свойствами применяемого ВВ.

Практическое использование этой гипотезы ограничивалось отсутствием методики определения числа слабых мест в массиве пород. Однако дальновидное предположение о том, что в ненапряженном массиве существует множество дефектов, явилось существенным шагом в создании теории разрушения горных пород взрывом.

13 конце 40-х годов теория Гриффитса была развита Г. Р. Ирвиным, который упростил способ учета энергии пластической деформации. Это существенно расширило область применения теории Гриффитса.

Успехи математической статистики в начале 50-х годов позволили применить некоторые ее методы к исследованию процесса разрушения. Основной идеей статистической теории разрушения является построение своеобразной модели среды, сходной с моделью среды Гриффитса. В 1953 г. методы математической статистики использованы С. Д. Волковым для разработки единой статистической теории прочности твердых тел.

Известно, что для создания надежной теории, а в данном случае речь идет о теории разрушения горных пород взрывом, необходима четкая физическая концепция, кото-ран может послужить основой для расчетов. Одна из пер-

вых таких концепций была опубликована профессором Г. И. Покровским в 50-х годах. По его представлениям, в начальный момент взрыва вследствие высокого давле-ния в зарядной камере порода, примыкающая к заряду, сильно сжимается. Выведенные из равновесия частицы породы начинают двигаться в радиальном направлении и смещаются за фронтом волны напряжений, образуя зону сложнодеформированной породы вокруг заряда. Она характеризуется возникновением напряжений, значительно превосходящих временное сопротивление разрыву горных пород, что приводит к появлению радиальных трещин. С увеличением расстояния от заряда напряжения уменьшаются до такой величины, что новые трещины не образуются.

Расширение зарядной полости, увеличение ее вследствие разрушений и истечения продуктов взрыва через трещины и пустоты приводят к уменьшению давления газов. Доходя до свободной поверхности, волна сжатия отражается и переходит в волну разрежения. Трещины, возникающие от растягивающих напряжений отраженной волны, перпендикулярны направлению ее распространения.

Волну разрежения, возникающую при отражении от свободной поверхности среды, можно рассматривать как волну, распространяющуюся от условного заряда, представляющего собой зеркальное изображение реального заряда относительно свободной поверхности.

Несколько иной механизм взрывного дробления предложил профессор О. Е. Власов, который считал, что если первоначальное нагружение среды осуществляется во фронте волны сжатия, то наибольшие деформации на близких расстояниях от центра взрыва достигаются в материале после прохождения фронта вследствие радиального расширения. Так как материал разрушается в ближней к заряду зоне, то становятся возможными большие радиальные перемещения, и энергия, расходуемая па деформацию среды, существенно превосходит энергию, необходимую для дробления материала среды. В этих условиях возможен процесс дробления внутри области, охваченной фронтом волны сжатия. При дроблении горной породы в процессе деформирования ее за фронтом полны размер куски будет возрастать пропорционально радиусу заряда, так что гранулометрический состав взор-

4*

V

•

ванной массы будет изменяться с масштабом взрыва. Этот результат непосредственно следует из законов подобия. О. Е, Власов прибег к допущению о несжимаемости среды и мгновенности передачи энергии взрыва окружающей среде и ее распределении в ней. Это позволило для описания поведения среды использовать уравнения гидродинамики, в которых распределение потенциала скорости смещения частиц среды выражено дифференциальными уравнениями Лапласа. О. Е. Власов разработал основы расчета дробления горных пород взрывом, позволяющие теоретически определять грануломстриче-ческий состав взорванной горной массы. Такие расчеты могут быть проведены как для сферических, так и для цилиндрических зарядов, наиболее распространенных в практике взрывных работ.

Недостаток такого подхода к проблеме дробления гор-пых пород заключается в том, что не учитываются временные характеристики разрушения и воздействия взрыва на среду и в значительной мере затрудняется определение методов управления энергией взрыва, связанных с изменением временных характеристик взрывного импульса.

В последующих работах при исследовании процесса разрушения учитывались не только упругие и прочностные свойства горных пород, но и трещиноватость горных массивов.

Японская школа исследователей (Кумао Хино и др.) сделала большой вклад в развитие волновой теории взрыва (применительно к скальным горным породам). В 1956 г. основные положения этой теории и принципы расчета скважинных зарядов были изложены на симпозиуме по механике горных пород.

Согласно взглядам К. Хино, вокруг заряда ВВ имеется зона раздавливания, которая образуется взрывной волной с давлением на фронте выше прочности породы па сжатие. Вне этой зоны разрушения породы не происходит до прихода отраженной волны растяжения. Прочность породы па растяжение обычно в несколько раз меньше, чем па сжатие, поэтому отраженная волна будет разрушать породу по мере своего продвижения в глубь массива. К. Хино считает, что во взрывную волну переходит только часть энергии от взрыва заряда ВВ — остальная часть энергии уносится расширяющимися газами. Положение

этой теории о решающем значении дробления отраженной волны носит явно полемический характер.

Развивая эти взгляды, профессор Л. И. Ханаукаев в начало 60-х годов отметил, что механизмы разрушения горных пород с различной акустической жесткостью (которая представляет собой произведение плотности среды на скорость распространения в ней звука), различны: породы, обладающие большой акустической жесткостью, разрушаются под действием волн, отраженных от свободных поверхностей массива; породы сродней акустической жесткости разрушаются как от действия отраженной волны, так и от действия расширяющихся газов; в породах с малой акустической жесткостью разрушения обусловлены действием расширяющихся газов,

Постановка вопроса о различном механизме разрушения сыграла положительную роль в дальнейшем развитии теории действия взрыва на среду. Однако основное допущение, что прочностные характеристики пород находятся в прямой зависимости от их акустической жесткости, не всегда имеет место на практике. При воздействии импульсных нагрузок разрушение не только определяется прочностью горной породы и напряжением на фронте волны, но и в значительной степени зависит от времени приложения нагрузки. Расчетные формулы не учитывают временных характеристик взрывного импульса и поэтому не всегда могут быть использованы при практических расчетах.

Важное уточнение в схему разрушения внес В. Н. Родионов, который отметил, что модуль упругости (произведение плотности на квадрат скорости звука) для крепких пород (10* МПа) много больше давления в химических ВВ. Следовательно, волны сжатия, создаваемых взрывом в окружающей горной породе, являются слабыми в гидродинамическом смысле: они способны лини, незначительно изменить плотность.

У большинства твердых тел прочность на 2—3 порядка меньше модуля упругости. Поэтому давление, создаваемое взрывом в среде в непосредственной близости заряда ВВ, намного превышает прочность горных пород и обеспечивает их разрушение.

В 1961 г. Г. И. Баренблатт предложил теоретическую схему решения задач о предельном равновесии хрупких тел с макротрещинами. В се основе — гипотезы автоном-

ности концевой области трещины, ничтожности размеров концевой области по сравнению с размерами самой трещины и конечности напряжений в тупиковой части. Однако такая схема оказалась непригодной для описания поведения микротрещин, которые в ряде случаев существенно влияют на прочностные свойства среды. М. Я. Леонов и В. В. Панасюк создали новую расчетную модель, дающую возможность исследовать в едином плане равновесное состояние твердого тела, ослабленного как микро-, так и макротрещинами. В случае только макроскопических трещин получается тот же результат, что и в расчетной схеме Баренблатта.

Получила развитие концепция Л. Ф. Веляева о зависимости интенсивности разрушения от запаса энергии ВВ, приходящейся па единицу объема разрушаемой горной породы. Она подтверждена многочисленными и экспериментальным и производственными данными. В работах Г, Т1. Демидюка показана зависимость энергии действия взрыва цилиндрического заряда, не только от различии в удельной энергии ВВ, но и от плотности заряжания, увеличивающей объемную концентрацию энергии; на степень дробления горной массы (гранулометрический состав) наряду с длительностью импульса решающее влияние оказывают геометрические параметры расположения зарядов; управление ими повышает долю общего запаса энергии, затрачиваемую на дробление породы.

В конце 50-х годов Л. С. Компапеец решил задачу взрыва заряда камуфлета в легко деформируемых средах (типа песчаного грунта). В предложенной им схеме наиболее плотно учтены свойства грунта и продуктов взрыва. Важно отметить, что затухание волны на фронте находится в этой схеме в прямой связи с продуктами взрыва.

В начале 60-х годов велись успешные исследования действия взрыва в грунтах (С. С. Григорян, М. М. Докучаев, Г. М. Ляхов, В. Н. Родионов), и, в частности, по уплотнению грунтов взрывом (II. М, Сытый, Г. К. Акутин, Л. А. Вовк).

В 1963 г. В. И. Мосинец сформулировал общий энергетический закон дробления горных пород взрывом, в соответствии с которым процесс разрушения характеризуется наличием строго определенного предела энергоемкости дробления, зависящего от механических свойств

горных пород, статистической функции распределения в среде естественных трещин и развиваемых в процессе дробления деформаций. Спустя 10 лот Мосинец доказал, что открытое явление предельной энергоемкости физически объясняется созданием в разрушаемой среде такой удельной плотности энергии, при которой по всему разрушаемому объему наблюдается равномерное и устойчивое распространение трещин со скоростью, близкой к волнам Релея в режиме, соответствующей предельной скорости перевода упругой энергии в поверхностную энергию трещин.

Явление предельной энергоемкости позволяет по-новому объяснять ряд явлений дробящего и метательного действия взрыва.

В 1960 г. па основе большого объема экспериментальных исследований Гилвари установил статистические закономерности процесса разрушения хрупких тел при импульсных нагрузках. Несколько позднее аналогичные разработки выполнил В. М. Кузнецов.

Таким образом, к началу 70-х годов в области теории разрушения горных пород взрывом был накоплен большой и ценный материал. В этот период на основании статистической теории разрушения В. М. Комир и В. С. Кравцов разработали расчетные формулы, позволяющие оценить ожидаемые средние размеры кусков, образующиеся при воздействии па среду заданного импульса напряжений. Из этих же условии была получена форма оптимального импульса напряжений, обеспечивающего требуемую интенсивность дробления материала в рассматриваемой зоне. Выведенная В. М. Копиром и В. С. Кравцовым математическая зависимость устанавливает взаимосвязь между прочностными характеристиками материала, величиной создаваемых напряжений, длительностью импульса и требуемым размером куска,

В 70-е годы развитие теоретических представлений механизма разрушения базируется на обширных экспериментальных исследованиях. Для их проведения были разработаны способы и средства скоростной фоторегистрации процесса разрушения, методы регистрации параметров поли напряжений, определения скорости развития трещин в горных породах.

Созданию средств регистрации для исследования процесса разрушения хрупких материалов при взрыве в лабо-

раторных условиях способствовала разработка методов моделирования действия взрыва в горных породах. Большой вклад в формирование научных основ моделирования внесли Л. И. Седов, Г. И. Покровский, О. Е. Власов, В. И. Родионов. В последние годы предложены критерии подобия при моделировании процесса разрушения, учитывающие распределение неоднородностей, микротре-щип и дислокаций. Соблюдение этих критериев позволяет моделировать распределение гранулометрического состава при дроблении реальных горных пород.

Теоретические основы действия взрыва в горных породах позволили четко сформулировать главные направления научных исследований: во-первых, это механизм передачи энергии взрыва окружающей твердой среде, во-вторых, повышение удельного расхода энергии взрыва на дробление; в-третьих, повышение энергии самих ВВ и воздействие на механизм процесса химической реакции взрывчатого разложения.

Благодаря теории разрушения горных пород в массиве родилось понятие об управлении действием взрыва. Известно, что работа взрыва была бы гораздо эффективнее, если бы большая часть его энергии расходовалась по назначению — на дробление материала. К сожалению, доля энергии на полезные формы работы взрыва составляет 5—15%. Остальная энергия идет на необратимое деформирование (и, следовательно, нагрев) твердой среды и ее перемещение, а также теряется с газами взрыва. Наибольшей деформации подвергается материал в зоне, близко расположенной к заряду. Это происходит уже после того, как фронт волны уходит на значительное расстояние.

Для разрушения горных пород имеет значение не только количество энергии, заключенной в заряде, по и способ ее передачи окружающему массиву: именно быстрота, кратковременность передачи энергии ведет к огромным се потерям (например, на необратимые пластические деформации) в начальной стадии. Следовательно, в общем виде задача сводится к тому, чтобы увеличить время выделения энергии от взрыва заряда (пли группы зарядов). С другой стороны, необходимо улучшить условия передачи энергии заряда ВВ в разрушаемую среду и увеличить начальные напряжения. Такую задачу удается решить путем изменения внутренней газодинамики расширения продуктов детонации в зарядной камере.

На основе этих принципиальных выводов получили научное содержание методы управления действием взрыва: заряды с воздушными промежутками, многократное инициирование заряда ВВ в скважине, создание ВВ на основе крупнодисперсной (гранулированной) аммиачной селитры и дизельного топлива.

Заряды с воздушными промежутками имеют длинную предысторию. Еще в 1835 г. капитан русской армии Буте-нев предложил оставлять воздушную полость в нижней части скважины путем установки под заряд деревянного стержня. Следует отмстить, что почти сто лет спустя, в 1931 г., М. Я. Сухаревский и Ф. А. Першакоп модернизировали это предложение, решив рассредоточить заряды применением фальшивых патронов; они же рекомендовали использовать патроны меньшего диаметра, чем диаметр шпура, оставляя таким образом кольцевой воздушный зазор. Все это было направлено па повышение эффективности воздействия взрыва на среду.

Свое настоящее рождение заряды с воздушными промежутками получили в начале 60-х годов, когда исследования Н. В. Мельникова и Л. Н. Марченко выявили физическую картину разрушения зарядом, имеющим воздушный промежуток. Было установлено, что продукты детонации первоначально могут расширяться в этом промежутке, за счет чего не только снижается начальное давление взрыва и соответственно увеличивается длительность процесса, но и достигается соударение газовых потоков в самом воздушном промежутке. В результате уменьшаются затраты энергии на местное действие взрыва и соответственно увеличиваются се затраты на полезное дробление породы. В зарядах выброса создаются воздушные полости между зарядом и стенками зарядной полости, играющие роль компенсатора: уменьшается пиковое давление взрыва, за счет сокращения его местного действия возрастает доля энергии взрыва, используемой на выброс породы; в результате при одинаковой величине заряда увеличивается объем образуемой выемки и снижается удельный расход ВВ.

Работами Н. В. Мельникова и Л. Н. Марченко показано, что взрывание камерных зарядов ВВ с воздушными промежутками (так называемое бесконтактное взрывание) увеличивает работу взрыва па выброс за счет более благоприятных термодинамических условии работы про-

дуктов детонации, связанных с уменьшением их начального давления при неизменной энергии (одновременно уменьшаются потери на ненужные формы работы взрыва — переизмельчение в ближней от заряда зоне, пластические деформации грунта).

Увеличение длительности воздействия взрыва на мас-сив горных пород эффективно достигается путем применения ВВ с широкой зоной химической реакции — гранулированных аммиачно-селитренных взрывчатых веществ. Они дают также возможность регулировать концентрацию энергии ВВ в зарядной камере.

Другая форма увеличения времени воздействия взрыва па массив горных пород — метод взрывания зарядов с короткими (в тысячные доли секунды) интервалами — короткозамедленное взрывание. Этот метод впервые был предложен и осуществлен в конце 30-х годов в СССР горным инженером К. А, Берлиным. При проходке ствола шахты посредством детонирующего шнура между на-чалом детонации зарядов смежных кольцевых рядов был создан интервал порядка десятых долей миллисекунды; такой интервал достаточен для того, чтобы куски раздробленной взрывом породы перемещались к середине забоя ствола, образуя конусообразный навал горной массы, наиболее удобный для грейферной погрузки.

Большое количество исследований в области коротко-замедленного взрывания в 50—60-е годы (Г. И. Покров-скип, Ю. В. Гаек, Г. М. Китач, М. Ф. Друкованый, Ф. М. Кучерявый и др.) способствовало повсеместному внедрению его па карьерах и значительному улучшению качества дробления пород. При этом методе взрывания каждый последующий взрыв воздействует па породу, находящуюся в напряженном состоянии под влиянием предшествовавшего взрыва, и куски породы последующего взрыва настигают куски предыдущего взрыва (с учетом изменения направления движения в сторону ранее взорванного заряда); при столкновении кинетическая энергия движения затрачивается па дополнительное дробление столкнувшихся кусков, а дальность перемещения кусков и ширина развала уменьшаются. По сравнению с мгновенным взрыванием увеличивается длительность взрывного воздействия на массив: энергия сообщается ему как бы частями за больший суммарный промежуток времени.

Дальнейшее развитие этого направления — разработка

106 •

схем короткозамедленного взрывания, при которых создаются встречные направления движения кусков разрушенной породы, что улучшает дробление.

В конце 60-х годов в СССР для увеличения длительности действия взрыва на массив широко применяется взрывание на горную массу, не убранную от предыдущего взрыва. Взорванная на такую подпорную стенку в карьере горная масса не теряет статического равновесии, но прочность подвергнутого действию взрыва массива снижается до пределов, соизмеримых с усилием ковша экскаватора.

Длительность воздействия взрыва возрастает также за счет увеличения протяженности заряда при взрывании сдвоенных и строенных уступов, особенно успешном в породах легко разрушаемых. При этом в крепких и монолитных породах в зажатой среде отмечается неудовлетворительное разрушение породы на уровне подошвы уступа. Решить этот вопрос удалось па основе найденой Г. К. Акутиным закономерности: радиус дробящего действия взрыва достигает максимального значения в районе инициирования заряда и уменьшается в направлении распространения детонации.

В начале 70-х годов В. М. Комир высказал идею, что максимальное разрушающее действие взрыва в районе инициирования заряда обусловлено особенностями взаимодействия детонационной волны со стенкой зарядной камеры. В районе очага инициирования детонационная волна подходит к стопке зарядной камеры под прямым углом (наиболее благоприятный случай передачи энергии взрывной волны в массив). По мере удаления детонационной волны от точки инициирования этот угол уменьшается, и удар становится как бы «скользящим». Этим можно объяснить эффективность инициирования заряда ВВ не в одной, а во многих точках одновременно (многоточечное инициирование, разработанное В. II. Мосинцом).

Управление длительностью воздействия взрыва может быть осуществлено пространственным расположением зарядов. Сближение одновременно взрываемых скважинных зарядов способствует первоочередному смыканию ради-альных трещин по линии расположения зарядом с образованием сплошной щели; время образования щели меньше времени достижения трещинами свободной поверхности. Продукты взрыва через полость щели вырываются в атмо-

сферу и длительность их воздействия па породу оказывается меньше времени, необходимого для дробления отрываемой части массива. Сближенное расположение зарядов в сочетании с демифирующим действием воздушного зазора между патронами ВВ и стенками шпура, а также воздушных промежутков между торцами патронов ВВ обеспечивают гладкий отрыв породы по заданному контуру и сохранение прочности поверхности массива.

При замене цилиндрической зарядной полости щеле-видной и переходе на применение плоского заряда ВВ фронт ударной волны взрыва становится плоским. Вследствие этого с расстоянием уменьшается степень затухания энергии на фронте волны.

... История применения взрыва в горном дело имеет точную дату отсчета, которую сохранил протокол архива горного суда в г. Хемнице: 8 февраля 1627 г. тиролец Каспар Бейдель успешно использовал пороховые заряды для проходки Верхне-Бобровой штольни на руднике в Банской-Штявнице в Словакии. В 1632 г. с помощью пороха ведутся рудничные работы близ Клаусталя и на серебряных рудниках в Швеции, в 1645 г.— близ Фрей-берга, а с 1670 г.— во многих государствах Европы. В 1680 г. Томас Эпслей (старший) употребил порох в Корншиских оловянных рудниках (Англия) — с этого времени его применяют для добычи многих полезных ископаемых. Впрочем, сведения о мирном использовании взрыва идут от XVI в.: пороховыми зарядами был расчищен фарватер р. Неман в России.

Однако первый опыт применения пороха давал недостаточно эффективные результаты: взрывы производились в открытых шпурах. В 1687 г. впервые была выполнена забойка в виде деревянной пробки. Правда, она не оказывала достаточного сопротивления пороховым газам (отметим, что и первые шпуры, пробуренные железным трубчатым буром диаметром около 75 мм, были неглубокими), но стала неотъемлемым элементом взрывных работ.

К концу XVII в. буровой инструмент позволил делать шпуры большей длины и меньшего диаметра. Сразу же удалось увеличить пороховые заряды. Они показали несостоятельность пробковой забойки. Поиски надежной забойки привели к влажной глине, которая благодаря высокой пластичности позволяла надежно закупоривать заряд в шпуре. Позже в нее стали добавлять песок,

Применение пороха для дробления горных пород в рудниках (так называемые порохострельные работы) положило конец огненной, кирковой и клиновой работе по отделению скальных пород от массива. Порохострельные работы воцарились как единственный метод дробления почти на два столетия.

В горной промышленности России порох вначале использовался для добычи руд, относительно мягкий уголь разрушался обушком и кайлом. Незначительные масштабы угольной добычи и высокая цена пороха позволяли обходиться ручной отбойкой. Только в начале XIX в. взрывной способ дробления (порохострельные работы) распространяется на каменноугольные шахты. Глубина шпуров достигла 1 —1,5 м. Русский ученый А. И, Узатис так описывает эти работы (1843): «Порохострельная работа, подобно клиновой, употребляется нередко для добычи больших масс породы, обнаженной с нескольких сторон врубами, проводимыми кайлою, как, например, при каменном угле, либо одноручными небольшими шпурами, как это встречается при разработке толстых жил либо штоков».

Несмотря па появление динамитов, порох еще долго применяли для отбойки угля: он обеспечивал получение значительного количества крупных кусков угля (динамиты переизмельчали уголь).

В начале 60-х годов порохострельные работы в горных породах вытесняются новыми ВВ. Одним из первых конкурентов пороха стал жидкий нитроглицерин. Особую сложность представляла задача взорвать нитроглицерином трещиноватые породы. Вертикальный шнур обмазывали изнутри глиной, чтобы предотвратить утечку ВВ. Затем через жестяные воронки в шпуры заливалось заранее отмеренное в сосуде количество нитроглицерина. В заряд на воспламенительном шнуре (стонине) опускали капсюль. Верхнюю часть шпура доливали водой. Второй способ состоял в том, что в нитроглицерин опускали патрон (деревянная гильза, наполненная мелким порохом), соединенный со стопином. В нитроглицерин патрон погружали до половины, а верхнюю его часть засыпали песком. После этого стопин поджигался. Более сложно было с горизонтальными и восходящими шпурами. В этом случае в ход шли жестяные патроны, которые плотно закрывались капсюлем, входившим в патрон до половины.

В марте 1865 г. таким способом была взорвана гра-нитная скала близ Стокгольма, Шпуры глубиной 3,4 м вместили по 2 кг нитроглицерина. Взрывом было отбито около 200 м* скалы. Л. Нобель широко рекламировал этот взрыв, что значительно расширило использование нитроглицерина для взрывания горных пород, В августе того же года были успешно применены крупные заряды нитроглицерина для отбойки пород в каменоломнях близ г. Лау- тенталя.

Нитроглицерин с забойкой песком взрывают в каменоломнях Верхнего Гарца, близ Аахена и в других частях Германии. Это были первые, по существу, взрывные работы на карьерах.

Особо следует отметить взрывы нитроглицерина в крепких вязких базальтах каменоломни в Нассау (пороховые заряды здесь оказались бессильны), В шпурах глубиной 1—2 м с помощью бикфордова шпура были взорваны заряды нитроглицерина, которыми отбили глыбы объемом 9—12 м3.

В подземных условиях нитроглицерин почти не применялся: это было сопряжено, как правило, с необходимостью укреплять стенки шпуров глиной и т. п.и другими неудобствами (выделение газов, вертикальные шпуры). Кроме того, опыты с взрыванием нитроглицерином в каменноугольной шахте близ Дортмунда привели к переиз-мельчению угля, неблагоприятные результаты были получены и при взрывании каменной соли в Страсфурте. В 1.867 г. сподвижник В. Ф. Пструшевского, Чернилов- ский-Сокол, успешно использовал нитроглицерин для разработки золотоносной россыпи на Верхне-Успенском прииске в Забайкалье.

Значительное расширение объемов взрывных работ в горных породах связано с изобретением и внедрением динамита. В 1871 г. динамиты применялись в России для добычи цинковых руд и каменного угля. Особое значение имело употребление динамита при строительстве первых крупных тоннелей в Альпах: Мон-Сеписского (12 км), Сен-Готарского (15 км), Арльбергского (10 км), Симплонского (10 км). Только благодаря взрывным работам стало возможным сооружение этих гигантских объектов.

С приходом в горное дело динамита значительно упростилась технология взрывных работ. Вместо камерных и

мелкошпуровых зарядов внедряются скважинные. С 50-х годов XX в. механизируется процесс заряжания ВВ на карьерах и в шахтах.

Ежегодно только в СССР с помощью взрыва дробится свыше 1 млрд. т горных пород. Взрывы для добычи полезных ископаемых поглощают львиную долю ежегодно расходуемых промышленных ВВ. Горняки Кузбасса подсчитали, что каждый год только на шахтах их бассейна взрывают 60 млн. зарядов — в среднем 170 тыс. зарядов каждые сутки! Эта нехитрая статистика показывает, как важен и нужен сегодня взрыв горнякам.

Масштабы отдельных взрывов достигают значительных величин. Рекордным был взрыв в 1966 г. на карьере «Медвежий ручей» Норильского горно-металлургического комбината, когда зарядами суммарной массой 1500 т ВВ было одновременно отбито 7 млн. т руды.

Основное значение взрывов — раздробить скальные горные породы, сделать их доступными для ковшей экскаваторов и погрузчиком. Дробящие взрывы пришли на подземные горизонты шахт и рудников, па карьеры и прииски. Наибольшее распространение па открытых горных разработках (карьерах) получили заряды ВВ, помещаемые в довольно глубокие (иногда несколько десятков метров) цилиндрические углубления- скважины. Крупная скважина вмещает до I т ВВ.

Для подземных условий, как правило, применяют цилиндрические углубления гораздо более скромных масштабов — шпуры, вмещающие по несколько килограммов взрывчатки. От умелого управления взрывом зависит равномерность дробления горных пород.

Дробление скальных горных пород взрывом па карьерах останется основным способом подготовки их к экскавации в течение ближайшего десятилетия. Поэтому первостепенной представляется задача гарантированного по качеству интенсивного взрывного дробления руд, что даст возможность применить конвейерный транспорт, т. е. практически перейти к поточной технологии горных работ.

Степень дробления влияет и на схему переработки горных пород на обогатительной фабрике. При достаточно мелком измельчении взрывом отпадает необходимость в крупных дробилках, процесс механического дробления можно осуществлять не в три стадии, как обычно, а в две. Все эти факторы предопределяют огромное значение

интенсификации взрывного дробления; средства к тому — внедрение новых ВВ, устройств и методов взрывания.

В последнее десятилетие дробление значительно интенсифицировалось, исчезли негабаритные, превышающие размер ковша экскаватора, куски породы. Однако ни на одном карьере не удалось полностью соблюсти регламентацию размерности этих кусков, что позволило бы перейти к поточной технологии. В отдельных случаях, правда, получали пригодную для конвейеров мелкую массу, но естественно, что для внедрения поточной технологии необходимо прежде всего постоянство процесса.

Изучение состояния пауки о действии взрыва в твердой среде и детальный анализ показателей взрывной отбойки горных пород позволили Л. И. Барону выдвинуть в 1957 г. взрывное дробление как самостоятельную проблему горного дела и предложить основные пути ее разработки: «изучение физических основ процесса дробления, изучение и оценка физико-механических свойств горных пород (объектов взрывания), изучение и оценка ВВ в отношении их дробящего действия, изучение и оценка влияния способов и параметров взрывания на дробящее действие взрыва, изучение методики измерения и оценки кусковатости, а также установление рациональной степени дробления горных пород взрывом для различных условий».

Известно, что одна из основных трудностей при проектировании взрывного дробления — нестабильные свойства взрываемых горных массивов. При этом наибольшие вариации свойств осадочных горных пород прослеживаются в вертикальном направлении: так шло их напластование, образовывался «слоеный пирог» земной коры из раз-нопрочных слоев известняка, мергеля, глины и т. п. Совершенно очевидно, что, имея перед глазами разрез земной толщи высотой 10—15 м, можно с гораздо большей рациональностью расположить заряды ВВ не вертикально, а горизонтально, вдоль однородных слоев породы.

Для перехода па новую технологию взрывных работ потребуется гладкий забой, в котором будут пробурены скважины. Следовательно, отказаться полностью от вертикальных скважин нельзя: они должны быть пробурены по контуру отрываемого взрывом блока и взорваны по методу контурного взрывания — с образованием гладкой поверхности забоя,

Второе, не менее важное назначение контурных скважин — получение достоверной информации о строении и свойствах пород. Система датчиков в скважинах и на поверхности подлежащего «обуриванию» горизонтальными скважинами забоя даст подробную информацию о физических параметрах массива. С помощью электронно-вычислительной техники будет проведен расчет зарядов, нужных для дробления массива до кусков заданной крупности, и рассчитана сетка расположения скважин.

Ясно, что для бурения потребуются принципиально иные агрегаты, осуществляющие многомашинное, программированное на оптимальный режим, бурение, заложение зарядов, подготовку к взрыву. Использование горизонтальных цилиндрических зарядов весомо повысит КПД взрыва. Ведь массив практически останется па мосте, а энергия, расходуемая в обычных взрывах на бесполезное перемещение горных пород (ухудшающее, кстати, технологию горных работ), полностью «переключится» на дробление. Благодаря рациональной очередности взрывания можно будет получить и гладкую подошву уступа. В неоднородных по прочности породах взрыв обогащает горную массу в забое за счет лучшей дробимости «слабых» горных пород по сравнению с прочными. При взрыве слабые включения переходят в мелочь, например до размера куска в 150 мм. Этот поток отсеивается перед поступлением в первую (самую крупную) дробилку фабрики, выпускающую щебень определенной прочности, что значительно снижает затраты на переработку. Подсчитанный на известняковых карьерах Калужской области коэффициент взрывного обогащения при рационально организованных взрывных работах превышал коэффициент механического обогащения. Отличные условия для внедрения метода имеются и на рудных карьерах цветных металлов.

Особое место взрыва — при добыче нефти и газа, извлечения артезианской воды, взятии проб из скважин на больших глубинах. В глубоких (иногда по нескольку километров) разведочных скважинах он помогает взять образцы горных пород, достичь максимальной отдачи и «приемистости» пластов нефти, сократить сроки бурения, провести опробование и освоение скважин.

Предположим, что нефтяники пробурили разведочную скважину глубиной 1000 м. Теперь нужно получить исчер-

пывающую информацию о нефтеносности, газоносности, водоносности пластов, их литологическом и минералогическом составе, физических свойствах горных пород. Как взять пробы с различных глубин: 300, 500, 700, 800, 900 и 1000 м? Для этого на кабеле в узкое двухсотмилли> метровое жерло скважины опускается специальный прибор — боковой стреляющий грунтонос. Он снабжен пороховым зарядом. На нужной глубине грунтонос останавливают, по кабелю подают электрический ток к заряду. Взрыв... и грунтонос вонзается в толщу, вбирая в себя образец (керн) породы для испытаний.

В конце XIX в. на нефтяных промыслах России впервые были проведены взрывные работы в скважинах (торпедирование) с целью увеличить нефтеотдачу пластов (в последние годы с помощью взрыва чаще вскрывают водоносные горизонты). При вскрытии нефтяного пласта очень важно создать в пласте трещины, возможно большие по протяженности. В 50-х годах, таким образом, были успешно освоены нагнетательные скважины в Туймазин-ском районе. Взрыв в этих случаях осуществляется торпедой-снарядом длиной до 1,5 м.

В конце 1912 г. на промысле «Чемпион» инженер Г. Невский впервые применил взрывной метод увеличения дебита нефти (для отобранных скважин). Одновременно такие работы были проведены в США. Заряды ВВ весили свыше 50 кг. Первые заряды помещались в оболочку из железа толщиной 2 мм и опускались в скважину на тросе. Благодаря расширению на дне скважины они собирались в кучу и заряд достигал иногда 200 кг и больше.

Значительна роль взрыва при ликвидации аварий в скважинах. На большой глубине буровой инструмент «прихватывает», как говорят специалисты, т. е. па него обваливается порода из стенок скважины, заклинивает долото, бурильная колонна «прикрепляется» к стенке скважины. Устранить такие аварии обычными способами стоит дорого, в некоторых случаях из-за них погибает вся скважина.

Применяется несколько способов взрыва для ликвидации аварий. Можно, например, отвинтить колонну, последовательно ослабляя резьбовые соединения (она кратковременно разгружается от массы расположенных выше труб, и одновременно к колонне прикладывается обрат-

ный вращающий момент) на разных глубинах (сверху вниз). Процесс реализуется путем взрывания торпеды.

При другом способе, взрыв заряда, перекрывающего всю длину зоны прихвата или расположенного над долотом, образует ударную волну. Она вызывает движение материала (образовавшего прихват), в результате чего сцепление с ним инструмента ослабляется. И наконец, можно просто взрывом оборвать трубы в скважине; иногда это единственный способ снасти ее.

В последние годы взрыв широко используют для очистки фильтров и фильтровой зоны водяных скважин. Реже он применяется с этой целью и на нефтяных скважинах. Фильтры (с трубчатым или стержневым каркасом) устанавливают для организации нормального (без выноса песка) поступления жидкости в скважину (на нефтяных скважинах чаще пользуются перфорационными отверстиями в трубах). При эксплуатации поверхности фильтров засоряются и зарастают, что резко снижает дебит скважин.

Против засоренного фильтра устанавливают торпеду. Взрывная волна, проходя через фильтрующую поверхность, раскалывает осадок и сбивает его в затрубное пространство и па забой. Этому способствует и движение жидкости из скважины в затрубное пространство, вызванное расширением взрывных газов и обратное ее движение в ствол скважины при «схлопывании» образовавшегося газового пузыря. Постепенно газовый пузырь угасает, начинает пульсировать с затухающей амплитудой. Но этих пульсаций оказывается достаточно для очистки фильтра. Взрывная очистка фильтров позволила увеличить дебит скважин минимум вдвое, в отдельных случаях он возрастал многократно (например, с 16 до 07 или с 18 до 90 т в сутки).

С. Л. Ловлей разработан метод взрывного восстановления дебитов скважин путем установки внутри старого (не пропускающего жидкости) фильтра нового. изготовленного из прочных материалов. При взрыве заряда, размещенного по центру нового фильтра, ударная волна, пройдя через прочный фильтр, разрушает старый и открывает каналы для движения жидкости из пласта в, сква-жину.

Взрыв давно применяется в строительстве благодаря способности переносить и укладывать в заранее рассчи-

Рис. 5. Схема развития взрыва на выброс (по М. А. Садовскому и В. II. Родионову)

1 — полость, заполненная газом; 2 — ударная волна; 3 — выбрасываемая раздробленная горная порода; 4 — взрывная полость

танное место одновременно десятки тысяч кубических метров грунта. Такие взрывы, названные направленными, успешно заменили экскаваторы и автосамосвалы при вскрытии месторождений полезных ископаемых, возведении плотин, сооружении каналов, профилировке дорожных трасс в сложнопересечснной местности. В отличие от обычного подземного взрыва, когда свободная поверхность горизонтальна и выброс грунта происходит равномерно относительно оси воронки выброса, при направленном взрыве большая часть грунта выбрасывается перпендикулярно наклонной поверхности (рис. 5).

Как правило, взрыв производится в два приема. Сна-чала взрывают один небольшой заряд. При этом создается новая свободная поверхность, имеющая больший наклон к горизонту, чем первоначальная. Затем взрывают основной заряд, который выбрасывает грунт в желаемом направлении.

Для направленного взрыва характерен повышенный расход ВВ, превышающий обычный на дробление в 5—6 раз. Определяющим параметром является не только энергия, но и взрывной импульс. В случае геометрически подобных направленных взрывов можно принять, что импульс взрыва подчиняется также простому закону подобия.

К моменту завершения процесса расширения камуф-летной полости при взрыве химического ВВ в крепких породах энергия продуктов взрыва достигает 25—30% полной энергии взрыва, в слабых породах — 15—20%. При ядерных взрывах в широком диапазоне грунтов величина этой энергии составляет 10—20%.

Мб

В условиях камуфлетного взрыва радиусы зоны разрушения породы в несколько раз превышают размеры взрывной полости. Если взрыв производится на глубине меньшей, чем радиус центральной зоны разрушения, то разрушения достигают свободной поверхности. Наличие свободной поверхности приводит к асимметрии не только полости, но и зоны разрушения: в области, прилегающей к обнажению, дробление и деформация среды более интенсивны. Это объясняется в основном перемещением грунта в направлении к свободной поверхности.

Зона разрушения в силу движения породы существенно вытягивается в сторону свободной поверхности. Отколовшиеся слои поднимаются вверх по законам баллистики, образуя щели под свободной поверхностью грунта. При взрывах на небольшой глубине отколовшиеся слои грунта могут обладать достаточным запасом кинетической энергии, чтобы вылететь из зоны откольного действия.

Если энергии газообразных продуктов взрыва, заключенных в полости, достаточно, чтобы преодолеть сопротивление разрушенной породы и поднять ее на высоту, соизмеримую с глубиной заложения заряда, то происходит выброс и образуется воронка. Этому способствует смещение грунта, вызванное волной сжатия. Однако во многих случаях, особенно при мягких породах, волна сжатия играет в процессе выброса вспомогательную роль — обеспечивает нарушение связей между частицами массива.

На следующей стадии развития процесса выброса под действием давления газообразных продуктов взрыва ускоряется движение грунта, расположенного между полостью и свободной поверхностью. За счет изменения потенциальной энергии сжатых продуктов взрыва изменяется кинетическая энергия выбрасываемого грунта. Условно можно выделить две причины возрастания кинетической энергии грунта. Во-первых, наличие свободной поверхности ограничивает прирост массы грунта, вовлекаемого в движение. Во-вторых, ускоренное движение грунта в направлении к свободной поверхности вызывает асимметричный рост полости. В результате в сторону свободной поверхности продукты взрыва сообщают горной массе большую кинетическую энергию, чем в других направлениях.

Степень возрастания кинетической энергии выбрасываемого грунта зависит от глубины заложения заряда.