6.2. Внутреннее действие взрыва заряда в горной породе

Если при взрыве заряда ВВ в массиве породы действие его ничем не проявится на открытой поверхности и локализируется внутри массива, то оно называется внутренним действием (камуфлетом), а заряд –камуфлетным зарядом.

При взрыве камуфлетного заряда в породном массиве на стенки зарядной полости действует динамический удар. В горной породе возникают волновые явления, интенсивные у заряда и ослабляющиеся по мере удаления от него. В породном массиве образуются зоны: сжатия (вытеснения и уплотнения), трещинообразования (разрывов, сотрясения и растрескивания) и сотрясения. Первая зона весьма мала и не имеет четкой границы с зоной трещинообразования, поэтому целесообразно рассматривать зоны вытеснения и разрывов совместно как одну общую зону – зону разрушения (рис. 6.1). Иногда при определенном соотношении между зарядом и расстоянием его до открытой поверхности образуется еще зона отколов.

Процесс разрушения породы, согласно теории Г.И. Покровского, идет следующим образом: в момент взрыва удар газов взрыва разрушает и вытесняет некоторый слой породы, прилегающий к заряду, образуя полость - зону вытеснения или котел. Раздавленная и вытесненная порода вдавливается в стенки котла, которые вследствие этого представляют собой слой раздавленной и уплотненной породы. Возникшая в момент взрыва ударная волна перемещается радиально в массиве породы за пределы котла, вызывая смещение частиц породы в радиальном направлении. В результате радиального перемещения частиц и слоев породы в ней возникают действующие в тангенциальном направлении усилия растяжения и сдвига. Они вызывают образование сети радиальных и кольцевых (прерывистых сферических) трещин.

Таким образом, в пределах зоны разрушения в начале (от центра) располагается слой бесструктурной, раздавленной и уплотненной породы с частыми и широкими трещинами разрывов и сложений. Он постепенно переходит в породу, сохранившую свою структуру в отдельных частях, но также пронизанную сетью радиальных и сферических трещин. По мере удаления от центра трещиноватость уменьшается. Четкой наружной границы зона разрушения не имеет.

С удалением от очага взрыва ударная волна затухает и переходит в волну напряжений, распространяющуюся со звуковой скоростью, которая на некотором расстоянии ослабевает. Эта зона (зона сотрясений) не имеет четко выраженных внутренних и наружных границ.

В зависимости от глубины заложения заряда признаки взрыва могут быть не обнаружены на земной поверхности или проявляются в виде слабой сейсмической волны. Если заряд заложен не глубоко от земной поверхности, то до нее может дойти волна напряжений сжатия. Когда эта волна достигает открытой поверхности, верхние слои породы, не встречающие достаточного сопротивления впереди, начинают отрываться (сопротивление породы разрыву в 10…50 раз меньше сопротивления сжатию). У открытой поверхности зарождается волна растяжения, которая идет к центру взрыва. Волна сжатия как бы отражается от открытой поверхности породы в форме волны растяжения. По мере удаления от поверхности энергия волны растяжения затухает, но у поверхности отражения волна может создать несколько сферических откольных трещин, в результате происходит откол и даже отбрасывание породы. Следовательно, зона отколов может возникать при соответствующих соотношениях между зарядом и глубиной его заложения.

Радиус зоны вытеснения (см. рис. 6.1) зависит от прочности и упругих свойств горной породы, от размера и формы заряда, от общей работоспособности и бризантности ВВ и от плотности заряжания. Поскольку данная теория основана на пропорциональности размеров сферы разрушения и разрывов заряда в соответствии с геометрическим законом подобия, радиус зоны вытеснения может быть выражен через радиус заряда при прочих равных условиях:

, (6.1)

где – приведенный радиус зоны вытеснения (котла), или коэффициент пропорционально сти, учитывающий влияние вышеперечисленных факторов.

При взрывании сосредоточенного заряда тротила или аммонита 6ЖВ в мягких грунтах (глина, суглинок, растительная земля и т. п.) , а при взрывании в скальных грунтах (f= 8…13).

В случае использования других ВВ приведенный радиус или коэффициент пропорциональности определяется по формуле

, (6.2)

где Q^'_VиQ^'_VT– удельная теплота взрыва соответственно примененного ВВ и тротила (4190 кДж/кг);

 и _T– плотность ВВ примененного и тротила (1500 кг/м³).

При взрывании удлиненных цилиндрических зарядов (l5d_зар) котлы получаются цилиндрической формы; радиус зоны вытеснения в этом случае рассчитывается по формуле (6.1); коэффициент пропорциональностиr₁при взрывании тротилом и аммонитом 6ЖВ принимается равным 10...15 в мягких грунтах и 2...4 – в скальных породах. При использовании других ВВ (для удлиненных зарядов) коэффициент пересчитывается по формуле (9.2). Длина цилиндрического котла превышает длину заряда на три-четыре диаметра последнего.

При относительной длине заряда l_з /d_p= 6 энергия взрыва, действующая на стенки шпура или скважины против центра заряда, составляет 90% максимальной энергии, которая действовала в этом же месте при бесконечно длинном заряде. Если относительная длина заряда менее 6, рассеивание энергии у торцов заряда увеличивается и радиус котла уменьшается.

При выполнении специальных видов буровзрывных работ донную часть шпуров и скважин расширяют для повышения вместимости. Котлы образуют взрыванием небольших зарядов ВВ, помещенных на дно шпура или скважины (процесс называют простреливанием шпуров).

Эффект котлообразования применяют и при проходке глубоких колодцев и небольших стволов в мягких породах. Например, ствол глубиной 54 м и диаметром 5,2 м на Юрковском буроугольном карьере (Россия) был пройден путем вытеснения и уплотнения грунтов при внутреннем действии взрыва заряда в пробуренной скважине. Опыты проведения таким способом шурфов на глубину до 60 м были и в Кузбассе. При этом срок поведения шурфа сокращался на 20...40%, а стоимость проходки и крепления выработки – на 10...30%. Методом уплотнения мягких грунтов взрывом создают и полости больших размеров для хранения нефти.

Опытная проходка стволов в песчаниках и глинистых сланцах методом вытеснения показала отрицательный результат. При взрывании зарядов ВВ в тех же породах (скважины диаметром 100...250 мм, глубина от 40 до 100 м) получили коэффициент уширения равным всего 3...6.

Эффект разрушения горных пород при внутреннем действии заряда ВВ используют в случаях торпедирования нефтяных скважин для усиления отдачи нефти: шпуров и скважин в угольных шахтах для усиления дегазации пластов и предупреждения внезапных выбросов и т. п.

Радиус зоны разрушения (см. рис. 6.1):

, (6.3)

где – приведенный радиус зоны разрушения (выраженный через радиус заряда), или коэффициент пропорциональности.

При взрывании удлиненных цилиндрических зарядов в скальных породах , а сферических зарядов в мягких. Объем зоны разрушения примерно в 1000...2000 раз больше объема заряда.

Одно из перспективных направлений создания подземных газонефтехранилищ – использование камуфлетных ядерных взрывов. Примером могут служить экспериментальные взрывы "Рейнер", "Хардхет", "Гном", "Соломон" и другие, проведенные в США. Однако применение промышленных ядерных взрывов в широких масштабах сдерживается на современном уровне развития техники двумя отрицательными факторами: радиоактивным заражением среды и значительным сейсмическим эффектом.

Как пример подобного взрыва в СССР рассмотрим экспериментальный атомный взрыв, эквивалентный мощности 333 т тринитротолуола, который был произведен 16 сентября 1979 г. в 12 ч почти на километровой глубине угольной шахты "Юнком" ПО "Ордженикидзеуголь". Эксперимент проводился вблизи г. Южнокоммунаровск. Инициатором акции выступил Московский институт горного дел им. А. Скочинского после землетрясения на Сахалине, при котором угольные пласты местных шахт полностью разгазировались – исчез рудничный газ – метан.

На глубине 826 м прошли специальную горную выработку, в конце которой соорудили нишу. В нее поместили 3-метровой длины цилиндр диаметром 80 см, внутри которого находился ядерный заряд. После взрыва заряда образовался 10-метровый шар из оплавленной и остекленевшей породы. В середине он был пуст, а толщина стенок достигала 1 м.

На основании термоядерных подземных взрывов в США установлено, что при таком взрыве действие заряда на породу можно расчленить на четыре фазы:

I– ядерная реакция, длится микросекунды, за это время в объеме диаметром до 6 м температура достигает 1 млн.ºС и давление – более 0,1 млн. МПа;

II– гидродинамическое воздействие, длится миллисекунды, за это время происходит испарение и плавление пород и образование зоны вытеснения (ударные волны производят дробление пород в ближайшей зоне, а сейсмические колебания – в дальней);

III– статическое действие, длится минуты, в это время обрушается кровля котла и образуется конус обрушения над ним;

IV– последствие, длится месяцы и годы в этот период происходит медленное выравнивание температуры пород и распад радиоактивных продуктов.

К моменту обрушения полости радиоактивные продукты взрыва, оставшиеся в газообразном состоянии, распространяются во всем объеме полости обрушения и большая их часть сорбируется обломками. Они и представляют наибольшую потенциальную опасность. Наведенная активность значительно менее опасна. Кроме того, нейтроны ядерного взрыва поглощаются породой в пределах 1,8 м от центра взрыва. Таким образом, вся облученная порода расплавляется, испаряется и фактически целиком попадает в общий расплав породы на дне полости. Всего в расплаве оказывается свыше 90% радиоактивных продуктов. В случае наличия достаточного количества алюминия и кремнезема радиоактивный распад способен выщелачиваться под воздействием грунтовых вод в течение столетий, сохраняя 99,5% радиоактивных частиц.

Расчетами проф. Г.И. Покровского установлено, что через 6…12 мес после взрыва уровень радиоактивности снижается настолько, что работа экскаваторов в районе взрыва будет безопасной.

Относительное количество энергии взрыва, трансформирующееся в сейсмическую волну, составляет менее 1%. Однако при ядерных взрывах абсолютное значение этой величины весьма значительно, что обусловливает полное или частичное разрушение различных объектов на расстоянии 2,5…5 км и более. Расстояния, на которых не наблюдается деформаций в конструкциях, опасных для их устойчивости, называются сейсмобезопасными.