Зоны действия и разрушающее действие взрыва в грунте

Результат воздействия взрыва на среду обычно принято описывать тремя зонами:

· зоной вытеснения;

· зоной разрушения (слой раздавливания);

· зоной разрывов (слой «радиальных трещин»);

· и зоной сотрясения (сейсмические возмущения).

При взрыве в сплошной пластичной среде образуется полость, объем которой зависит от веса заряда и свойств среды. Другими словами, это область, из которой продукты взрыва высокого давления полностью вытеснили грунт, образовав полость (так называемый «котел»).

Картина деформаций и разрушений, получающихся при действии взрыва на большинство горных пород (схематически) представлена на рис.7.1.

Рис.7.1. Схема разрушающего действия взрыва в среде (расположение зон): 1 – зона вытеснения («котёл»); 2 – зона разрушения (среда-грунт-разрушен); 3 – зона разрывов (слой «радиальных трещин»); 4 – зона сотря-

сения (сейсмические возмущения)

В центре очага взрыва обычно образуется полость (R_В), из которой вещество среды «выжато» высоким давлением (зона вытеснения). К полости примыкает зона раздавливания (R_P), в которой среда (грунт) полностью разрушен интенсивной волной сжатия. К зоне раздавливания примыкает зона разрывов (слой «радиальных трещин» (R₁). В этой зоне волна сжатия уже не может раздавить материал среды, но он начинает двигаться в направлении распространения волны; в среде возникают растягивающие напряжения, которые и вызывают появление радиальных трещин (известно, что горные породы значительно легче разрушаются при растяжении, чем при сжатии). Далее на значительных расстояниях от очага взрыва среда не разрушается, но в ней распространяются сейсмические возмущения (зона сотрясения – 4, рис.7.1) – сложные колебания, включающие продольные, поперечные, а также поверхностные волны. Эти колебания могут вызвать разрушение сооружений, находящихся в грунте, или на его поверхности.

Сейсмически безопасные расстояния могут быть оценены по формуле

,

где – коэффициент, зависящий от свойств грунта.

Разрушение среды растягивающими усилиями может быть весьма существенно увеличено, если свободная поверхность среды расположена ближе к поверхности.

При отражении от свободной поверхности волна сжатия трансформируется в волну растяжения; если волна достаточно интенсивна, то это приводит к разрушению среды в значительном объеме, имеющем форму перевернутого конуса (рис.7.2).

Рис.7.2. Схема разрушающего действия взрыва вблизи от свободной поверхности

Рис.7.3. Схема выброса при взрыве

Если расстояние от заряда до свободной поверхности W еще меньше, то большая часть разрушенной среды выбрасывается при взрыве наружу – вверх и в стороны; образуется воронка выброса (рис.7.3). Как взрывание для дробления (рыхления), так и взрывание на выброс широко используется в практике горного дела. Заряд (в кг), необходимый для выброса, обычно рассчитывают по формуле, представляющей собой частный вывод закона подобия при взрыве:

С = k · W³ · f(n),

где f(n) = 0,4 + 0,6n³; k – зависит от свойств среды (грунта); f(n) – от вида образуемой воронки (от соотношения ее радиуса r · k· W; если r/W = т = 1, то f(n) = 1).

Значение k колеблется от 1,0 для слабых грунтов до 2,0…2,5 для самых прочных гранитов, базальтов и пр.

Заряд рыхления может быть рассчитан по формуле

С = 1/3· k · W³ .

Действие взрыва на среду может быть изменено и усилено разными способами. Если в среде заложено несколько зарядов, то, взрывая их в соответствующие моменты времени, можно управлять разрушающим действием взрыва, в частности, получать направленный выброс, при котором отброс среды происходит преимущественно в заданном направлении. Весьма сильной формой направленного взрыва является кумулятивное действие, получаемое от зарядов, снабженных специальной выемкой с тонкой металлической облицовкой. Образующаяся при взрыве кумулятивного заряда кумулятивная струя обладает сильнейшим пробивным действием.

Ударные волны в воде

В результате взрыва заряда ВВ в однородной водной среде (далеко от дна и от поверхности) в воде возникает пузырь из нагретых сжатых газов, давление которых будет значительно выше давления в окружающей среде. Расширяясь, газы образуют в воде ударную волну, также как это имеет место в воздухе. Понятно, что свойства ударных волн и их характеристики должны зависеть от свойств среды.

По мере расширения пузыря давление в нем быстро падает. В некоторый момент времени давление в газовом пузыре сравнивается с давлением в окружающей среде, но расширение на этом не заканчивается. Вода, примыкающаяся к газовому пузырю, имея значительную скорость, некоторое время будет двигаться по инерции, растягивая пузырь. После того, как движение воды прекратиться, давление в пузыре будет меньше, чем давление в окружающей среде; газовый пузырь начнет сжиматься, опять пройдет положение равновесия и, таким образом, будет некоторое время пульсировать. Такую пульсацию можно заметить также при взрыве в воздухе, однако, в воде из-за большей плотности и больших сил инерции это явление особенно рельефно. Пульсирующий пузырь начинает двигаться вверх, как бы «всплывая» в воде.

Для воды характерно сравнительно высокое значение скорости звука С_о » 1500 м/с. Скорость УВ в воде, уменьшаясь по мере распространения, быстро достигает значения скорости звука и волна приобретает «акустический» характер, хотя давление в ней могут быть еще значительными.

Так, если рассмотреть УВ в воде с чрезвычайно большим давлением на фронте r₁ = 5000 кг/см², то за фронтом такой волны будет поток воды со значительной скоростью w = 250 м/с. Волна будет распространяться со скоростью Д = 1975 м/с, значительно превышающей скорость звука. Но если давление на фронте ударной волны в воде снизиться до величины 250 кг/см², которая еще весьма значительна, то такая волна будет иметь скорость потока за фронтом всего лишь w = 15 м/с и скорость ее распространения окажется практически равный скорости звука. Вследствие того, что УВ в воде быстро принимает квазиакустический характер, а также из-за иных условий отражения на твердой поверхности, эффекты отражения, направленности выражены слабее, чем в случае ВУВ; действие УВ в воде по своему характеру близко к гидростатическому давлению, действующему одинаково по всем направлениям.

Затухание ударных волн в воде происходит медленнее чем в воздухе, поэтому при одинаковых приведенных расстояниях как давления, так и импульсы УВ в воде значительно больше, чем на воздухе.

Так, например, давление отражения в воде может быть приближенно оценено по формуле

,

где .

Для =2 – 3 давление отражения в воде в десятки раз! выше, чем давление отражения на воздухе; при =5 давление отражения в воде примерно в 150…160 раз больше, чем на воздухе.

Величина импульса отражения УВ в воде может быть подсчитана по приближенной формуле

.

Поскольку на воздухе J = (50 – 60) , то при одинаковых R и С_экв импульс в воде примерно в раз больше, чем на воздухе.

Приведенные выше формулы относились к однородной водной среде. Если заряд находится неподалеку от поверхности воды, то значения давления и импульса могут существенно снизиться.

При взрыве заряда неподалеку от поверхности воды на ней образуется купол и затем происходит выброс, причем может сформироваться водяной столб значительной высоты. Исследованиям установлено, что образование купола и выброс связаны преимущественно с воздействием газового пузыря.