Файл: Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие.pdf

Взрыв ядерного устройства начинается при образовании крити­ ческой массы ядериого ВВ и представляет собой неконтролируемую цепную реакцию деления ядер под действием быстрых нейтронов. В результате этой реакции в течение нескольких микросекунд выде­ ляется огромное количество энергии, развиваются высокие темпера­

Вследствие развивающихся при ядерном взрыве огромных давле­ ний и температур, значительно превосходящих давления и темпера­ туры при взрыве химических ВВ, действие ядерного взрыва на среду, в частности горную породу, существенно отличается от процессов, происходящих при взрыве химического ВВ. В качестве примера можно указать на взрыв «Рейнир» (мощность 1,7 кт, США), когда

В таких условиях горная порода мгновенно испаряется на расстоя­ нии до 0,1 радиуса полости, образующейся при взрыве, в результате чего теряется значительная доля энергии и снижается температура. Однако энергии продуктов радиоактивного распада и ударной волны еще хватает на плавление окружающих пород, причем, как показы­ вают исследования французских ученых, на каждую 1 кт мощности заряда плавится около 600 т горных пород. При распространении ударной волны по породе происходит дробление и смещение среды,

врезультате чего образуется полость взрыва. За пределами зоны дробления и трещиноватости ударная волна настолько ослаблена, что не производит практически никаких разрушений, вырождаясь

всейсмическую волну. Учитывая, что при ядерном взрыве происхо­ дит испарение и плавление окружающей среды, последствия взрыва

вгорных породах в значительной мере обусловлены присутствием

вних воды и летучих компонентов, образующих в совокупности продукты взрыва. Это в конечном итоге приводит к результатам, отличающимся от взрывов эквивалентных им зарядов химических ВВ.

Проресс выделения энергии при ядерном взрыве заканчивается

втечение микросекунд. В последующие несколько миллисекунд происходит образование максимальной полости взрыва, причем рас­ ширение полости происходит до тех пор, пока внутреннее давление

вполости не сравняется с горным давлением на данной глубине заложения заряда от поверхности земли.

Завершается взрыв установлением квазистатического равно­ весия в образовавшейся полости взрыва. При камуфлетном взрыве, как правило, полость имеет форму, близкую к форме шара, запол­ ненного на треть диаметра расплавленной породой.

Зона дробления пород составляет (1,5-^-3) 7?п, где R n — радиус полости взрыва, а зона трещиноватости распространяется до {Шп* Дальнейшее состояние полости зависит от устойчивости вмеща­ ющих пород и ее диаметра. Как правило, через несколько секунд (иногда и через более длительное время) полость обрушается с обра­

5 3 »

зованием так называемой трубы обрушения. Высота ее составляет около 10Rn. В слабых горных породах труба обрушения зачастую развивается до поверхности земли с образованием правильной во­ ронки.

Радиус полости взрыва можно определять по формуле Наккольса, которая, несмотря на ряд допущений, удовлетворительно согла­ суется с результатами инструментальных замеров при реальных взрывах:

вмещающих горных пород, г/см3; Н3 — глубина заложения заряда, м; кп — эмпирпческпй коэффициент, зависящий от физико-механи­ ческих и химических свойств породы взрываемого массива.

После окончания формирования полости и трубы обрушения наступает долговременная фаза. На этой фазе механическое пере­ мещение пород прекращается, однако термодинамическое равно­ весие еще не достигнуто, так как в течение долгого времени тепло п газы продолжают рассеиваться, а давление постепенно сни­ жается. Распад радиоактивных пзотопов может длиться многие годы.

Как и при взрывах химических ВВ, при ядерном взрыве разли­ чают камуфлетные взрывы (взрыв внутреннего действия) и взрывы на выброс (взрыв наружного действия).

трещиноватости н образовании подземных емкостей в результате уплотнения массива. В Советском Союзе имеется много месторожде­ ний нефти, газа и руды, при разработке которых целесообразно при­ менять камуфлетные ядерпые взрывы.

На рис. 291 в качестве примера показана схема подземного нефте­ хранилища, созданного ядерным взрывом. Несмотря на то что полость взрыва заполнена обломками обрушившихся пород, свободного пространства между ними достаточно для размещения значительного количества газа пли жидкости. Общая емкость таких хранилищ весьма велика и составляет 2,4-103 м3 и более.

В настоящее время существует уже несколько проектов промыш­ ленного использования камуфлетных ядерных взрывов.

Я д е р н ы е в з р ы в ы н а в ы б р о с принципиально позво­ ляют выполнять практически сколько угодно большие по объему работы по переброске пустой породы, покрывающей рудное тело. Это особенно важно в неосвоенных районах и в горной местности. Экономическая эффективность подобных работ тем выше, чем больше масштабы взрыва н будущего карьера. Это обусловлено тем;' что стоимость ядерных зарядов растет с увеличением мощности примерно по-логарифмическому закону и для очень больших зарядов энергия,

540

выделяемая при взрыве, становится дешевле электрической энергии, вырабатываемой современными тепловыми станциями. Зависимость линейных параметров воронки взрыва от мощности заряда выра­ жается эмпирической формулой

взрыва, кт; сг — эмпирический коэффициент.

Рис. 291. Схема подземного нефтехранилища, созданного ядерным

взрывом

В угольной промышленности ядерные взрывы могут найти приме­ нение для дегазации пластов угля, залегающих на большой глубине, и для снятия напряжений в выбросоопасных породах в результате встряхивания массива и интенсивного образования в нем трещин.

Применение промышленных ядерных взрывов в широких масшта­ бах сдерживается на современном уровне развития техники двумя отрицательными факторами: радиоактивным заражением среды,, и значительным сейсмическим эффектом.

Источниками радиоактивного излучения являются, с одной сто­ роны, продукты распада (при атомном взрыве) или синтеза (лри-тер-

541

моядерном взрыве) и с другой — радиоактивные изотопы, которые образуются при облучении пород мощным потоком нейтронов, сопровождающим ядерные реакции.

Ожидаемая суммарная радиоактивность через 1 ч после взрыва, по данным американских исследователей, может быть определена ориентировочно по эмпирической зависимости

К моменту обрушеиия полости радиоактивные продукты взрыва, оставшиеся в газообразном состоянии, распространяются во всем объеме полости обрушения и большая их часть сорбируется облом­ ками. Опи и представляют наибольшую потенциальную опасность. Наведепная активность значительно менее опасна. Кроме того, ней­ троны ядерного взрыва поглощаются породой в пределах 1,8 м от центра взрыва. Таким образом, вся облученная порода распла­ вляется, испаряется п фактически целиком попадает в расплав породы на дне полостп. Всего в расплаве оказывается около 90 радиоактивных продуктов при ядерном взрыве. В случае наличия в по­ роде достаточного количества алюминия п кремнезема радиоактивный расплав не способен выщелачиваться под воздействием грунтовых вод в течение столетий, сохраняя 99,5% радиоактивных частиц.

Основными мерами по снижению радиоактивного загрязнения среды является применение зарядов, образующих минимум радио­ активных частиц при взрыве (так называемых чистых зарядов), и недопущение проведения взрыва в породе, содержащей элементы, образующие долгоживущие изотопы. С точки зрения радиационной безопасности камуфлетные взрывы представляют меньшую опасность, чем взрывы на выброс, поскольку при камуфлетных взрывах не про­ исходит или очень ограничен разброс и утечка радиоактивных частиц.

Взрывы зарядов большой мощности вызывают сотрясения земли в масштабах, вполне сопоставимых с теми, которые наблюдаются при землетрясениях. Это заставляет обратить серьезное внимание на вопрос обеспечения безопасности различного рода сооружений, расположенных в районе взрывных работ. Сейсмическая опасность того или иного взрыва оценивается в мировой практике скоростью смещения частиц поверхности земли у основания охрапяемого зда­ ния или сооружения.

При подземных ядериых взрывах скорость смещения можно опре­

где игм — скорость смещения поверхности, см/с; Q„ „ — мощность ядерного взрыва, кт; R 3 — расстояние от эпицентра взрыва, км; к — коэффициент, учитывающий грунтовые условия и равный 0,014 для аллювия, 0,0359 для туфов, 0,0862 для гранита.

' 542

Формула (XXX.1) дает удовлетворительные результаты при со­ поставлении расчетных данных с инструментально замеренными значениями скоростей смещения при ядерном взрыве в диапазоне расстояний от 0,5 до 350 км.

Отиосительное количество энергии взрыва, трансформирующееся в сейсмическую волну, составляет меньше 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 устой­ чивости, называются сейсмобезопасными.

Сейсмический эффект взрыва определяется параметрами сейсми­ ческих волн, образованных взрывом в месте расположения сооруже­ ний. С другой стороны, при определении безопасных расстояний необходимо знать реакцию того или иного сооружения на действие этих воли.

Вопрос о действии сейсмических волн на сооружение весьма сложен. Поэтому очень большое значение приобретают эксперимен­ тальные зависимости, позволяющие установить связь между пара­ метрами колебаний поверхности грунта и окончательной реакцией на них сооружения, т. е. появление тех или иных его повреждений.

Работами акад. М. А. Садовского впервые было установлено, что для типичных гражданских зданий величина критической ско­ рости составляет 10—14 см/с. Если подставить это значение в фор­ мулу скорости смещения, получим зависимость для определения сейсмобезопасного расстояния:

7?йез = 0,215/Р-6(?":4в46, км.

Размещение объектов за пределами расстояний, определенных по этой формуле, в значительной мере обусловливает их безопасность, но не гарантирует от незначительных нарушений конструкции, не опасных для устойчивости сооружения в целом. Следует иметь в виду, что сейсмическое проявление ядерного взрыва настолько сложное явление, обусловленное множеством факторов, что однозначный ответ для реальных условий взрыва может быть получен только в результате предварительных сейсмических исследований.

§ 128. Буровзрывные работы при проведении горных выработок в мерзлых н замороженных породах

Свойства и классификация мерзлых пород. Для правильного выбора способа и средств, а следовательно, и эффективного произ­ водства буровзрывных работ в мерзлых породах необходимо учиты­ вать специфические особенности этих пород, заключающиеся в слож­ ном характере их физического состояния. Содержащаяся в породе так называемая свободная вода при понижении температуры ниже нуля переходит в лед, приводя к цементированию отдельных зерен

543