Файл: Покровский Г.И. Взрыв и его применение.pdf

действие взрыва. Конечно, имеет значение также и энер­ гия, выделяемая при взрыве каждым килограммом взрыв­ чатого вещества. Однако эта энергия у взрывчатых ве­

ществ, применяемых обычно на практике, изменяется в

довольно малых пределах, поэтому почти все взрывчатые вещества дают в одинаковых условиях почти одинаковые импульсы, если только обеспечена полнота детонации. Это

позволяет производить с некоторым приближением рас­

четы импульса взрыва, не учитывая отдельно энергии взрывчатого вещества. Исключение представляют только аммиачноселитренные взрывчатые вещества. Если эти ве­ щества взрываются без прочной оболочки заряда, то пол­ нота реакции взрыва оказывается недостаточной и вели­ чины удельных импульсов заметно снижаются по сравне­ нию с тем, что получается в соответствии с приводимыми ниже расчетами.

Теоретическими расчетами и опытами установлено, что удельный импульс взрыва может быть вычислен по сле­ дующим формулам:

1)Если расстояние от места взрыва не превосходит

десяти линейных размеров заряда, то удельный импульс взрыва

2)Если расстояние от места взрыва значительно пре­ восходит десять линейных размеров заряда, то удельный

импульс

з

1.-53—^

В обеих формулах буквой С обозначен вес заряда в ки­

лограммах, а буквой R — расстояние в метрах от места взрыва до точки измерения импульса.

Приведенные формулы пригодны для расчетов удель­ ного импульса взрыва в воздухе, вблизи поверхности земли.

Необходимо, кроме того, иметь в виду, что удельный импульс зависит от размеров и формы предмета, воспри­ нимающего действие взрыва. Если предмет имеет неболь­ шую ширину или высоту и такую форму, при которой удар­

ная волна легко обтекает этот предмет, то действие взрыва может существенно снизиться. Наоборот, при значитель-

38

йых размерах предмета по сравнению с расстоянием от места взрыва до предмета действие взрыва усиливается.

Формулы, которые приведены выше, относятся к послед­ нему случаю.

Если ударная волна возникает при взрыве в средах раз­ личной плотности, то величина удельного импульса тоже оказывается различной. Чем больше плотность среды, тем

больше и удельный импульс.

Исследования этого вопроса, проведенные советскими

учеными, показывают, что удельный импульс пропорциона­

лен корню кубическому из плотности среды, где движется ударная волна. Это справедливо в тех случаях, когда среда не является очень прочной и разрушается вблизи места взрыва.

Вода имеет плотность, приблизительно в 800 раз пре­ восходящую плотность воздуха. Следовательно, удельный импульс в воде должен превосходить удельный импульс в воздухе при одинаковом весе заряда и одинаковом рас­ стоянии от места взрыва в следующее число раз:

з ____

у 800 =9,3 раза.

Можно считать, что удельный импульс взрыва в воде на достаточно большом расстоянии от места взрыва будет

равен:

з

взрыва не менее чем в 5 раз превосходит размеры заряда. Совершенно таким же способом можно рассчитать удель­ ный импульс взрыва в грунте. Он будет в среднем равен:

з

71 = 700^ С ) .

R

Если взрыв происходит на значительной высоте над

поверхностью земли, где плотность воздуха невелика,

удельный импульс будет соответственно меньше, чем дают формулы, помещенные на стр. 38.

РАЗРУШАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА

Разрушающее действие взрыва зависит от величины

удельного импульса, а также от того, в течение какого вре­

39

Мени действует давление ударной волны на разрушаемые объекты. Например, разрушение капитальных зданий про­ исходит, если удельный импульс находится в пределах 200—300 единиц; разрушение легких конструкций — при удельном импульсе около 100 единиц; стекла могут быть выбиты при взрыве, если удельный импульс составляет 3—4 единицы.

Физическая картина разрушения действием взрыва, передаваемым на некоторое расстояние через воздух, воду или иную среду, состоит в следующем. Расширяющиеся взрывные газы действуют на окружающую среду и приво­ дят ее в движение. В среде образуется мощная волна, кото­ рая распространяется во все стороны от места взрыва. Волна доходит до окружающих предметов и производит на них кратковременный, но обычно весьма сильный удар. Волна, передающая действие взрыва через различные среды,

называется ударной волной.

Человек, воспринимающий действие ударной волны, ощущает почти мгновенный удар. Однако такое ощущение

не вполне точно. На самом деле действие волны не мгно­

венно, а длится некоторое, правда очень короткое, время. Например, при взрыве заряда весом в одну тонну на рас­ стоянии 100 метров от места взрыва время действия удар­ ной волны равно приблизительно 1/30 секунды. Чем больше заряд и значительнее расстояние от места взрыва, тем дли­ тельнее воздействие ударной волны.

Обычно за время действия ударной волны разрушения

не успевают осуществляться. Допустим, например, что взрыв действует на кирпичную стену. Под действием удар­ ной волны стена начнет наклоняться. Ее наклон к концу действия волны будет незначительным. Однако и после окончания действия ударной волны стена будет продол­

жать наклоняться по инерции, и только когда ее наклон станет достаточно большим, она рухнет. Следовательно, разрушение стены произойдет позднее, чем закончится не­ посредственное действие на нее ударной волны взрыва.

Впрочем, таким образом разрушение происходит не

всегда. Если предмет, воспринимающий действие взрыва,

чрезвычайно жесткий, прочно укреплен на своем месте и имеет сравнительно небольшую массу, то он успеет изме­ нить свою форму за время действия взрыва и будет сопро­ тивляться ударной волне, как силе, действующей постоянно. В этом случае разрушение зависит не от величины им­ пульса, а от давления ударной волны. Это давление может

40

быть измерено в килограммах на квадратный сантиметр (кг/слг2) или в атмосферах {ат), подобно тому как изме­

ряется давление пара в паровых котлах или давление воз­ духа в автомобильных шинах.

В некоторых случаях при определении разрушений, производимых взрывом, нельзя исходить из величины удельного импульса. Например, при взрыве в грунте про­ исходит выброс грунта и получается более или менее зна­ чительная воронка. Чтобы получить воронку больших раз­ меров в грунте средней прочности, заряд целесообразно заложить на глубину Н, приблизительно равную (в метрах)

з __

Я = К С.

Здесь буквой С обозначен вес заряда в килограммах.

В этом случае получится воронка, имеющая диаметр D.,

приблизительно равный (в метрах)

з __

D = 2]^C.

Разрушающее действие взрыва сильно увеличивается,

если он происходит внутри замкнутого объема. В этом слу­

чае удельный импульс взрыва сильно возрастает, так как

ударная волна много раз отражается от стен, перекрытия и пола замкнутого помещения и неоднократно действует на каждую поверхность, каждый раз несколько ослабевая из-за потерь энергии при отражении. Вот почему в тунне­

лях, штольнях, шахтах ударные волны распространяются на очень большие расстояния с незначительным ослаб­ лением.

Если замкнутое помещение имеет отверстия, например окна, то ударная волна может выходить через них на­ ружу. Импульс ударной волны при этом снижается, но все же остается заметно больше, чем в открытом пространстве.

Отдельно следует рассмотреть действие взрыва весьма

крупных, сверхмощных зарядов. Высокое давление воздуха или иной среды, внутри которой произошел такой взрыв,

длится настолько долго, что разрушения происходят раньше, чем закончится действие ударной волны. В таких случаях разрушающее действие взрыва определяется тем давлением, которое производит ударная волна.

Давление, производимое ударной волной на ту или иную преграду, зависит от направления, по которому дви-

41

Жется волна. Если волна скользит вдоль преграды, напри­ мер вдоль плоской поверхности земли, то она производит на нее давление, равное избыточному давлению на фронте волны, равному, как указано выше,

угол более 45°, то для волн средней силы давление на пре­ граду повышается примерно в 2,5 раза и становится рав­ ным примерно

ДРо=10р^^ [кг)см2].

Это — избыточное давление, сверх нормального давления атмосферы.

Если воздушная ударная волна входит в туннель и дви­ жется по нему, то давление падает с увеличением расстоя­ ния гораздо медленнее, чем на открытом воздухе.

Взрыв в туннеле, шахте или штольне с площадью по­ перечного сечения, равного S метрам, дает избыточное дав­ ление:

ДРФ = 9|/Г[кг/см2].

В этом случае давление уменьшается обратно пропор­ ционально корню квадратному из расстояния.

Если волна движется в сужающемся туннеле или дру­ гом каком-либо проходе с уменьшающимся поперечным

сечением, то давление волны может даже увеличиваться по мере удаления волны от места взрыва.

Люди оказываются убитыми при давлении ударной волны, равном 2 атмосферам. Поражение ударной волной в той или иной степени, называемое контузией, может быть получено, если давление больше 0,2 атмосферы. Разрушение

нами, например ударом метеорита, подобного упоминав-

42

шемуся выше Тунгусскому метеориту, извержением вул­

кана и другими причинами, для установления силы взрыва бывает необходимо определить то количество обычного взрывчатого вещества, например тротила, которое может вызвать такую же ударную волну, какая получилась при этом взрыве. Количество тротила, которое равноценно по действию тому или иному взрыву, называется тротило­ вым эквивалентом. Тротиловый эквивалент может быть выражен в килограммах или в тоннах. Например, изучая

расстояния, на которых при падении Тунгусского метеорита был повален ударной волной лес, можно сделать вывод,

что взрыву этого метеорита соответствует тротиловый эк­ вивалент, превосходящий миллион тонн.

Особым случаем действия взрыва является так назы­ ваемый откол. Это явление состоит в следующем.

Пусть имеется мощное бетонное перекрытие, на кото­

рое положен сверху заряд. Допустим, что заряд при взрыве не способен пробить насквозь перекрытие. Можно было бы думать, что в таких условиях перекрытие будет слу­ жить защитой от действия взрыва. На самом деле это не всегда так. Если толщина перекрытия не слишком велика, то может произойти разрушение внутренней его части без

сквозного пробивания. Это обусловлено тем, что при взрыве внутрь бетонного массива идет мощная ударная волна, которая доходит до внутренней поверхности. Здесь бетон оказывается сильно сжатым. Так как с внутренней поверхности перекрытия бетон ничем не удерживается, на­ чинается его быстрое расширение наподобие сильно сжа­ той пружины. Бетон имеет сравнительно незначительное сопротивление разрыву. Поэтому при расширении сжатый

ударной волной слой бетона весьма легко отрывается, от­ калывается от остальной массы и с большой силой отбра­ сывается в направлении, приблизительно перпендикуляр­ ном поверхности бетона (рис. 16).

Явление откола можно заметить и в таких случаях, когда его, казалось бы, не следовало ожидать. Можно при­ вести такой пример. На некоторой глубине под поверх­

ностью воды взрывается заряд. Ударная волна быстро проходит через воду до ее поверхности и вызывает отрыв поверхностного слоя воды в виде белой раздробленной пены. Далее все успокаивается, и только через некоторое время вода под действием расширяющихся взрывных га­ зов начинает подниматься вверх мощным столбом.

43

При больших взрывах, например, таких, которые при­ меняются на гидротехническом строительстве, возникает настолько сильная ударная волна, что она способна рас­ пространяться в земной коре на расстоянии в сотни и ты­

сячи километров. Конечно, на таких расстояниях волна уже не производит разрушений и даже может не ощущаться

Рис. 16. Откол тыловой поверхности бетонного перекрытия при взрыве заряда на его поверхности. Бетонное перекры­ тие показано в разрезе. Темной штриховкой показана ударная волна в бетоне

людьми, но хорошо отмечается специальными прибо­

рами— сейсмографами, предназначенными для регистра­ ции землетрясений. Таким образом, мощный взрыв заряда весом в несколько сотен или тысяч тонн представляет со­ бой нечто вроде очага землетрясения.

Волны, возникающие в земной коре при землетрясении, называются сейсмическими волнами. Волны, возникающие при взрыве и напоминающие сейсмические волны, назы­ ваются сейсмовзрывными волнами. Взрывы сравнительно незначительных зарядов применяются для того, чтобы ис­ следовать недра земного шара. Возникающая при взрыве сейсмовзрывная волна идет не только вдоль поверхности земли. Она уходит также в глубь земного шара и отра­ жается от различных пластов горных пород. Отраженные волны приходят наверх и могут быть зарегистрированы

при помощи сейсмографов. Это дает возможность устано­

44

вить, на какой глубине находятся отражающие волну пла­ сты различных горных пород, и таким образом как бы ви­ деть на глубину многих километров строение земной коры.

Кроме научно-теоретического значения, такие исследова­ ния имеют и огромное практическое значение при отыска­ нии нефти и других полезных ископаемых, при отыскании подземных вод и при решении многих других задач.

ДРОБЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ

Для разрушения взрывом твердых горных пород и дру­

гих материалов такого рода обычно поступают следую­ щим образом. При помощи специального бурового инстру­ мента пробуравливают в массиве скалы скважину, назы­ ваемую шпуром. В шпур помещают заряд взрывчатого ве­ щества в виде цилиндрических шашек или картонных пат­ ронов, снаряженных взрывчаткой. В этот заряд заклады­ вают электрический детонатор с проводами, выходящими наружу, или выводят наружу от детонаторов огнепрово­ дящий шнур. После этого отверстие шпура закрывают пробкой (забойкой) из плотного грунта.

При взрыве заряда в шпуре порода разрушается обычно в объеме воронки, доходящей примерно до середины вы­ соты заряда, а иногда и меньше. Поэтому нижняя часть шпура остается в неразрушенной породе, несмотря на то,

что порода непосредственно соприкасалась с продуктами взрыва и испытывала на себе действие огромного дав­ ления. Это обусловлено тем, что даже очень большое сжи­

мающее усилие не может разрушить прочную горную по­ роду, если нет возможности значительного перемещения ее. В таких условиях основным способом разрушения по­ роды является использование явления откола.

В рассматриваемом случае волна сжатия при взрыве доходит до свободной поверхности породы, и здесь, как и при отколе, возникают очень большие разрушающие на­

пряжения, которые и рвут породу на множество отдельных кусков. В этом и состоит результат, достигаемый при взрывании твердых горных пород и других материалов.

РАСЧЕТ ЗАРЯДОВ ПРИ ОБЫЧНЫХ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ ПО ВЫБРОСУ ГРУНТА

Взрыв заряда на некоторой глубине внутри грунта, горной породы, бетона или другого материала может при­

вести к выбрасыванию части материала и к образова­

45