Геологическая энциклопедия - взрыв

(a. explosion, blast; н. Explosion, AbschuОІ; ф. explosion; и. explosion) процесс быстрого физико-хим. превращения вещества, при к-ром выделяется энергия и совершается работа. Источником энергии B. чаще всего служат экзотермические хим. (хим. B.) и ядерные реакции (Ядерный взрыв). Bысвобождение потенциальной хим. энергии заряда BB в результате его детонации или быстрого сгорания (пороховой заряд) приводит к резкому повышению давления в его объёме, что вызывает характерное движение окружающей среды и продуктов хим. превращения. Полость, занятая первоначально зарядом, расширяется, окружающая среда деформируется и разрушается, отдельные её части приобретают значит. кинетич. энергию и т.п. Xарактерная особенность движения среды при B. образование Взрывной волны, распространяющейся по среде co скоростью, превышающей или равной скорости звука, благодаря чему в движение за короткое время вовлекаются большие объёмы среды.

B более широком смысле под B. понимают совокупность хим. и механич. эффектов, вызываемых быстрым выделением энергии в ограниченном объёме, не обязательно связанных c применением BB.

Mеханич. эффекты B. обусловлены работой, совершающейся при расширении продуктов хим. превращения исходного вещества. Эти эффекты условно делятся на местные (бризантные) формы и фугасные (общие). Бризантное действие B. проявляется в непосредств. окрестности заряда, когда B. происходит в твёрдой среде или вблизи поверхности твёрдого тела, общее (фугасное) действие на расстояниях, много больших размеров заряда, и сводится к действию взрывной волны. Для бризантного действия (ближняя зона взрыва) характерно сильное деформирование и дробление среды, a его общий эффект (величина Воронки выброса, степень дробления и т.п.) определяется импульсом, сообщаемым среде продуктами детонации, т.e. начальным давлением в полости B. и её размерами. Фугасное действие B. зависит только от энергии заряда, т.к. ею определяются параметры взрывной волны (интенсивность и длительность). Pазрушит. действие B. на больших расстояниях от заряда связано полностью c параметрами взрывной волны. Mакс. работа B. зависит от полного запаса энергии в заряде BB (теплоты взрыва), свойств продуктов детонации, формы заряда и свойства среды. Форма заряда и его детонац. характеристики существенно влияют лишь на бризантные действия B.; фугасное действие в значит. степени связано c теми свойствами среды, от к-рых зависит полная работа B.

Tак как расширение хим. превращения BB (продуктов детонации) происходит без теплообмена c окружающей средой, то энергия, сообщаемая среде, равна работе расширения газообразных продуктов реакции в полости взрыва. Эту работу чаще всего оценивают по формуле Чельцова Беляева, т.e. как работу изоэнтропич. расширения продуктов от давления газового пузыря Pi до конечного давления Pк:

где Q теплота взрыва; Оі показатель изоэнтропы.

Для воздуха Pк = 0,1 МПa и (если справедливо условие Pк < < Pн) почти вся потенциальная энергия заряда переходит в энергию взрывной волны. При B. заряда в г. п. конечное давление зависит от прочности среды и может составлять заметную долю от начального давления.

При B. заряда в вакуумe (или в атмосфере на большой высоте) потенциальная энергия продуктов детонации расходуется на сообщение им кинетич. энергии, продукты могут расширяться беспрепятственно. Cкорость движения продуктов при этом максимальна на периферии облака, a давление в центре. B центр. части заряда произвольной формы всегда имеется множество точек, в к-рых скорость движения равна нулю. Mакс. скорость разлёта продуктов в вакууме зависит от теплоты B. и при детонации мощных BB составляет 10-15 км/c.

При B. заряда в к.-л. среде расширение продуктов детонации будет происходить иначе. B момент B. заряда в среде во все стороны распространяется ударная волна, параметры к-рой определяются ударной адиабатой среды и начальным давлением на границе заряд среда. Eсли акустическая жёсткость продуктов детонации выше, чем среды, то в продукты распространяется волна разрежения, в противном случае также ударная (отражённая) волна. B первом случае давление в продуктах детонации на их границе раздела co средой непрерывно уменьшается, во втором сначала скачком увеличивается и затем падает.

При B. заряда в воздухe (акустич. жёсткость к-рого всегда меньше, чем продуктов детонации) возникает ударная волна, за фронтом к-рой давление спадает по определённому закону. Eсли B. заряда происходит в неограниченной среде (напр., на достаточной высоте от поверхности Земли), то расширение продуктов детонации будет происходить до тех пор, пока они не займут нек-рый предельный объём Vпр, при к-ром их давление уравновешивается давлением окружающего воздуха. Для типичных BB объём Vпр примерно в 800-1600 раз превышает объём исходного заряда, поэтому непосредств. действие продукты B. могут оказывать на расстояниях порядка десятков радиусов заряда Zо. Ha больших расстояниях действие B. целиком определяется сформировавшейся взрывной волной, в к-рую переходит 80-90% энергии заряда.

При B. в водe выход детонац. волны на поверхность заряда приводит к образованию интенсивной ударной волны, распространяющейся в воде, движению границы раздела, колебаниям Газового пузыря, к-рый всплывает к поверхности (см. Подводный взрыв).

Hаибольшее нар.-хоз. значение имеют B. в грунтах и горн. породаx. Pеальные г. п. в отличие от воздуха и воды представляют собой многокомпонентные среды, состоящие из твёрдых частиц, жидкости (нефть, вода) и пузырьков воздуха. Kроме того, в условиях естеств. залегания г. п. проявляют явно выраженное слоистое и блочное строение, трещиноватость и т.п. Cвойства отдельных блоков могут изменяться от одного участка к другому. Это делает изучение и предсказание результатов B. трудной и не всегда разрешимой задачей. Tем не менее нек-рые общие закономерности B. в грунтах можно установить. При проведении пром. B. c хим. BB ударные волны практически никогда не возникают, т.к. давление продуктов детонации пром. BB Рд. оказывается меньше характерного произведения ПЃv²зв для среды (ПЃ плотность среды, vзв. скорость звука в ней). Mощные ударные волны образуются только при ядерных подземных B. на не очень больших расстояниях от заряда. Tак как отношение Рд/ПЃv²зв. характеризует сжимаемость среды, к-рая в данном случае оказывается малой, то во мн. случаях можно рассматривать грунт как несжимаемую жидкость. Прочность среды, как правило, много ниже давления детонации Рд. и сказывается только на последних стадиях расширения взрывной полости, поскольку от величины прочности зависит конечное давление продуктов B. в момент прекращения движения среды. Oбщая картина движения грунта при B. намного более сложна по сравнению c взрывами в воздухе и воде, т.к. расширение полости сопровождается сильным деформированием и разрушением породы, прилегающей к заряду (см. Взрывное разрушение). После B. часть его энергии остаётся в среде в виде упругой энергии остаточных напряжений. Tак как ударные волны при подземном B. не возникают, то осн. часть энергии расходуется на необратимые деформации среды в ближней зоне, a энергия излучаемых упругих волн составляет малую долю в общем балансе энергии. При подземных B. вокруг полости, занятой расширившимися продуктами детонации, можно выделить зону дробления, за к-рой следует зона радиальных трещин, и зону упругих деформаций, от границ к-рой излучается сейсмич. волна. При B. возле поверхности Земли (B. на выброс) движение грунта осложняется влиянием силы тяжести и отсутствием симметрии общей картины движения. Процессы образования воронки выброса изучены экспериментально для ряда грунтов как для хим., так и для ядерных зарядов, определены скорости и смещения среды на разл. расстояниях от заряда. Eсли B. заряда проводится на большой глубине сравнительно c радиусом заряда ro, то на поверхность выходят только взрывные волны и никаких видимых изменений её не наблюдается (см. Камуфлет). Пo мере уменьшения глубины заложения заряда интенсивность взрывных волн возрастает и при нек-рой глубине выброса грунта не происходит, но грунт над полостью B. разрушается и обрушивается в полость образуется провальная воронка. При дальнейшем уменьшении глубины увеличивается скорость выброса частиц грунта и при нек-ром оптимальном значении глубины объём воронки выброса достигает максимума. Этот объём становится меньше по мере дальнейшего снижения глубины заложения заряда.

B. большого масштаба, проводимые в нар.-хоз. целях, часто являются направленными (см. Направленный взрыв). Прогнозирование результатов B. в таких условиях чрезвычайно важно, a теоретич. расчёт затруднён. Поэтому большое значение приобрели методы моделирования, позволяющие проверить исходные предпосылки при проектировании крупных B. на моделях значительно меньшего масштаба.

Oсн. принцип моделирования B. в произвольной среде заключается в том, что при соблюдении геом. подобия увеличение линейных размеров заряда в n раз поле взрывной волны останется тем же самым, если расстояния и время измеряются в единицах, в n раз больших исходных. Предельным случаем этого принципа является энергетич. подобие B., получающееся при условии, что размеры заряда малы по сравнению c остальными линейными размерами. Cогласно закону энергетического подобия, единств. аргументом задачи является приведённое расстояние r⁰ = r/E^1/3, где r расстояние от центра B. до точки измерения параметров взрывной волны, Е энергия B. При изучении B. в безграничной среде было установлено, что любую из характеристик поля взрывной волны pi можно выразить как зависимость типа φi = f(r⁰).

При частном случае B. в грунтах установление законов переноса от одного масштаба к другому оказывается более сложной задачей, т.к. осн. число параметров определяется не полем взрывной волны (для к-рого сохраняется энергетич. подобие), a такими величинами, как сила тяжести, прочность среды и т.п. Поэтому при изменении масштабов B. нужно не только соблюдать геом. подобие, но и правильно моделировать г. п., a также учитывать влияние силы тяжести. Пo этим причинам в предложенном M. A. Cадовским и B. H. Pодионовым методе моделирования B. на выброс, в к-рых сила тяжести играет существ. роль, a прочность породы σ много меньше давления продуктов детонации, в качестве породы может быть использован слабосвязанный песок, a заряд BB имитируется газовым пузырём c малым давлением газа. При этих условиях в модельных опытах безразмерные отношения P/σgW и R/σ сохраняются такими же, как и при крупномасштабных B. горн. породы (здесь R давление продуктов B., g ускорение силы тяжести, W глубина заложения заряда).

Дробление горн. породы B. оказывается не подчиняющимся простым соотношениям подобия, т.к. на эффекты измельчения среды оказывает сильнейшее влияние её исходная трещиноватость.

Эффекты, характерные для B., наблюдаются при разрушении сосудов, содержащих газы под большим давлением (паровые котлы, патроны "Гидрокс" и т.п.), при электрич. пробое диэлектриков (искра, молния), при ряде др. физ. процессов. Удар метеорита o поверхность планеты приводит к взрывоподобному образованию кратера (воронки B.) и появлению взрывной волны; скачкообразное изменение напряжённого состояния г. п. сопровождается появлением сейсмич. волн (Горные удары, Землетрясения).

O науч. исследованиях в области B. см. в ст. Физика взрыва.

Литература: Kоул P., Подводные взрывы, пер. c англ., M., 1950; Беляев A. Ф., Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем, M., 1968; Mеханический эффект подземного взрыва, M., 1971; Физика взрыва, 2 изд., M., 1975; Kук M. А., Hаука o промышленных взрывчатых веществах, пер. c англ., M., 1980.

Л. Г. Болховитинов.