Управление Ростехнадзора по Калужской области

«Спусковой механизм»: понять и проконтролировать


Влияние технологических взрывов на активизацию современных геодинамических движений в районах недропользования

В результате проводимых в Институте горного дела УрО РАН исследований установлено, что за последние 30-50 лет скорости относительных деформаций земной коры на Урале составляют (1.2-1.6) 10-6 (м/год). Такие скорости характерны и для сейсмически активных областей. Происходящие в результате этих деформаций естественные землетрясения выделяют энергию от 109 до 1015 Дж, и самое мощное землетрясение случается за период около 300 лет.

На Урале за последние 250 лет произошел ряд сильных землетрясений, в том числе шестибальные - в районе Нижнего Тагила в 1832 и 1841 годах. В Тагильском железорудном районе горные работы ведутся уже 270 лет. За это время на западной окраине Нижнего Тагила вынуто карьерами и шахтами 221 млн. кубометров и перемещено в отвалы и хвостохранилища 93 млн. кубометров горной массы.

На протяжении нескольких лет Институтом горного дела проводились наблюдения за геодинамическими явлениями в этом районе недропользования. Данные наводят на мысль, что ускоряющим фактором горных ударов и техногенных землетрясений могут являться технологические взрывы. В этой связи следует установить возможные приины влияния физических процессов, протекающих при взрыве, на свойства окружающей среды.

Уже сейчас установлено, что разрушающее действие взрыва обусловлено взаимодействием энергии взрывного устройства и окружающей среды.

Измерения электрической проводимости в детонационной волне малоплотных взрывчатых веществ (ВВ), таких как ТНТ (грубодисперсный и мелкий), гексоген, тэн, тетрил, аммотол 80/20, а также литой ТНТ, показали значения проводимости даже более высокие, чем значения, полученные для хороших полупроводников. Для испытанных ВВ плотность электронов в детонационной волне, рассчитанная на основании упомянутых измерений проводимости, составляет от 1017 до 1018 на 1 см3 . Позже было экспериментально доказано, что в некоторых наиболее интенсивных детонационных волнах плотность электронов может достигать значений, больших 1020 на 1 см3 . Указанные эксперименты с применением геометрической модели подтвердили предположение о том, что источником ионизации являются химические реакции. К тому же, поскольку продолжительность рекомбинации мала, а плотности электронов высоки, оказывается, что приблизительно один электрон будет освобождаться на каждую молекулу ВВ, которая реагирует в реакционной зоне детонации. Эти свободные электроны способствуют протеканию различных плазменных и электрических, магнитных и электромагнитных явлений.

Несмотря на то, что многие авторы экспериментальными данными подтверждают образование электричества и плазы при взрыве, пока никто не предложил методику учета этих явлений при проектировании и оценке последствий взрывов.

Если при взрыве ВВ образуются электромагнитные колебания, то они, безусловно, влияют на окружающий выаботку горный массив. Степень этого влияния пока не изучена, поэтому предположим пока гипотетически, как может происходить возникновение и распространение электрических зарядов при взрыве.

Электричество образуется при химической реакции. Продукты детонации создают электромагнитные волны больой длины. Электрический ток возникает при образовании воды, а распространяется по проводникам и при деформации пьезоэлектриков.

В связи с тем, что зона реакции является источником возникновения электрического тока, то электрическое и магнитное поля направлены в сторону, противоположную движению фронта реакции.

Процесс может развиваться следующим образом. Его началом является химическая реакция окисления некоторого элементарного объема ВВ. Образуются продукты детонации, появление которых порождает электрический заряд. Продукты детонации в сильно разогретом состоянии являются проводниками, и их движение обусловливает движение магнитного поля. Магнитное поле вытягивает вдоль проводника из структуры еще не сдетонировавшего взрывчатого вещества электроны, тем самым ВВ становится нестабильной системой. В этом состоянии ВВ не может детонировать. Наступает промежуточная стадия образования новых соединений и их разложение до той поры, пока система сама не приведет себя в стабильное состояние, при котором детонация опять возможна. Эта промежуточная стадия осуществляется за крайне короткое время, во много раз меньшее, чем время детонации элементарного объема ВВ. Поэтому количество проводника до полного окисления ВВ постоянно увеличивается. В результате электричество на некоторое время задерживается в проводнике, не проникая в окружающую среду. В определенный момент количество накопленного электричества превышает допустимое напряжение проводника, и в продуктах детонации образуется плазма. Она является лучшим проводником, чем газ. Поэтому преобразование газа в плазму при большом электрическом заряде вполне логично.

Воздух, окружающий продукты детонации (ПД), является диэлектриком, однако при нагревании способен переавать электрический ток. Плазма ПД начинает нагревать воздух, на что уходит большое количество энергии, и при достижении необходимой проводимости воздуха она постепенно распадается. Взаимодействие нагретого воздуха с продуктами горения и детонации влечет за собой сообщение этому объему воздуха некоторого заряда. Некоторый объем проводящего воздуха в связи с тем, что окружен диэлектриком, накапливает электрический заряд. Это происходит также до той поры, пока его напряжение не превышено, далее в нагретом воздухе возникает новая плазма. Детонация заканчивается еще до распада второй плазмы, потому что последняя производит разряд нагретого воздуха. Из-за высокой разницы давлений происходит скачок давления между проводящим воздухом и диэлектриеским, таким образом, может возникнуть ударная волна.

Известно, что у ударно-воздушной волны две стадии - сжатие и разряжение. Если бы детонация продолжалась после распада второй плазмы, то процесс образования плазмы в воздухе мог повториться; тогда сжатие воздуха происхоило бы несколько раз, и ударная волна представляла бы собой несколько скачков повышения давления.

Из вышесказанного следует, что детонация - это промежуточная стадия преобразования ВВ от нестабильного состояния к стабильному, при котором возможно окисление. Скорость детонации - это скорость промежуточной стадии между реакциями окисления или скорость перемещения реакции окисления по ВВ. Ударная воздушная волна от взрыва - это электрический разряд воздуха. То, что ударная воздушная волна от взрыва может быть электрическим разрядом, вытекает из следующего соображения. Рассмотрим такое природное явление, как гроза. Когда вода испаряется с поверхности земли, она постепенно передает электрический заряд некоторому объему воздуха. В этом объеме возникает магнитное поле, которое удерживает вокруг себя молекулы воды после ее превращения из пара в конденсат. В связи с тем, что воздух плохо растворяется в воде, а вода без примесей - это диэлектрик, то скопление воды вокруг магнитного поля в воздухе препятствует передаче электрического заряда. Так образуется облако. Испарение воды с поверхности земли увеличивает скопление воды в облаке и способствует передаче воздуху в облаке электрического заряда.

Облако представляет собой накопитель электроэнергии, имеющий хорошую изоляцию. Когда допустимое напряжение воздуха в облаке превышается, возникает плазма. Ее движение происходит к поверхности земли (гроза). Потому что у поверхности земли атмосфера лучше проводит электрический ток, так как воздух у поверхности земли смешан с водяным паром и более нагрет, чем над облаком. Таким образом, за короткий промежуток времени облако разряжается, магнитное поле ослабевает, и конденсат воды падает на землю в виде дождя.

При разряде облака гром слышен на несколько километров. Такая мощная звуковая волна может возникнуть только от более мощной ударно-воздушной волны. Распространение электричества в массиве горных пород может просходить следующим образом. Если' плазма ПД встречает на своем пути диэлектрик, то аналогично воздуху начинает сжимать его. В связи с тем, что твердое тело трудно сжимаемо, порода начинает активно разрушаться. Если горная порода содержит проводники и пьезоэлектрики, то при разрушении некоторого объема они высвобождаются и начинают передавать электромагнитные импульсы. Ввиду того, что плазма со временем распадается, сжатие породы постепенно ослабевает. За время распада плазмы ПД зона сжатия породы не превышает зону, известную под названием зона управляемого дробления. За этой зоной сжатие породы не превышает ее предела прочности на сжатие и при отступлении давящей нагрузки сжатая порода начинает расширяться и сотрясаться. При этом происходит раскрытие новых трещин. Так же по породе распространяется сейсмическая волна.

Старые трещины в горной породе до взрыва обычно заполнены газами. При взрыве плазма ПД вступает во взаимодействие с ними, и возникает высокое давление. Это способствует очень быстрому раскрытию трещин и отколу кусков породы от массива по трещинам. Ввиду того, что энергия плазмы расходуется преимущественно на взаимодействие с газами (газы требуют больше энергии), горной породе сообщается энергии меньше. Кусок горной породы, отколотый по трещинам, имеет небольшие нарушения, потому что он практически не сотрясается.

Следовательно, в сильно трещиноватом массиве разрушение идет преимущественно по трещинам. Дробление от-дельностей практически неуправляемо. Увеличение величины заряда ВВ не приведет к положительному эффекту, увеличатся зона переизмельчения и нарушение структуры массива.

В результате экспериментов была подтверждена гипотеза о «спусковом механизме», или «трштерном эффекте», приводящем к землетрясениям, когда низкоэнергетическое воздействие на предельно напряженный образец или массив может являться «спусковым» для последующего его разрушения. При этом следует отметить, что исследователи по структуре электромагнитных колебаний, возникающих при разрушении образцов, научились их разделять по видам нагрузки (статическая или динамическая).

Таким образом, даже небольшая динамическая нагрузка сама по себе вызывает электромагнитные импульсы в горной породе, а если этой нагрузкой является взрыв ВВ, то электромагнитные колебания могут многократно усиливаться.

Проведенный анализ позволяет заключить следующее. Электромагнитные колебания от взрыва ВВ усиливают внутренние колебания горного массива, вследствие чего происходит высвобождение газов из пор и трещин, которые, в свою очередь, еще больше способствуют распространению электромагнитного импульса.

Для снижения влияния технологических взрывов на активизацию геодинамических явлений необходимо в первую очередь приблизительно определить параметры электромагнитных колебаний от взрывов некоторых ВВ. Решение этой задачи представляется в исследовании взаимосвязи между электромагнитными колебаниями и параметрами ударной волны при взрыве.