Управление состоянием массива с помощью взрыва

25.11.2020

Одним из возможных и весьма перспективных методов воздействия на свойства массива является взрыв. Помимо эффектов, связанных с образующейся трещиноватостью пород, взрыв может способствовать релаксации имеющихся в массиве напряжении (самого различного происхождения) на значительном удалении от его центра. Это со всей очевидностью доказали советские ученые, использующие камуфлетное взрывание как метод предупреждения внезапных выбросов угля и газа, и работы американских ученых в области снятия тектонических напряжений. Физическая сущность метода заключается в том, что взрывание зарядов взрывчатых веществ (BB) приводит к раскрытию существующей и возникновению новой сети трещин. Увеличение трещиноватости способствует перераспределению напряжений в массиве, в результате чего в зонах, где напряжения снижаются, происходит интенсивная дегазация угольного пласта. Однако такое толкование не совсем точно характеризует процесс, так как рассматривает лишь предельные состояния пласта (начальное — до взрыва и конечное — после взрыва) и совершенно упускает из виду процессы, происходящие в пласте в момент самого динамического воздействия. Исследование динамики взаимодействия выбросоопасного угольного пласта с волнами напряжений от взрыва зарядов BB интересно еще и с другой точки зрения, а именно изучения самого понятия выбросоопасность, поскольку при этом, очевидно, должны происходить какие-то сорбционные процессы, несомненно оказывающие существенное влияние на конечное состояние пласта.

Именно недостаточное внимание к указанному обстоятельству приводит, на наш взгляд, к просчетам в определении параметров камуфлетного взрывания и, как результат, к неожиданным выбросам из «обработанных» зон, как это, например, произошло на шахте «Восточная» производственного объединения «Донецкуголь», когда из казалось бы обработанной камуфлетными взрывами зоны при работе отбойным молотком произошел внезапный выброс угля и газа массой 100 т.

ИГД им. Л.Д. Скочинского совместно с другими институтами проводит работы по изучению динамики взаимодействия волн напряжений камуфлетного взрыва с выбросоопасными пластами по сравнению с аналогичным воздействием на невыбросоопасный пласт, причем динамические измерения проводятся в сочетании со статическими.

Камуфлетный взрыв заряда BB массой 1 т (аммонита № 6ЖВ) был проведен на шахте «Юный коммунар» производственного объединения «Орджоникидзеуголь» между выбросоопасным пластом Девятка и невыбросоопасным пластом Кирпичевка. Схема горных работ на горизонте и расположение зарядной камеры представлены на рис. VIII.1.

Зарядная камера располагалась в песчаниках плотностью 2,7—3,0 г/см3, со скоростью продольных волн 4300—4600 м/с, поперечных воли 2900—2700 м/с и ocm = 1000-1900 кгс/см2. Угол падения пород 62—65°.

Угольный пласт Кирпичевка состоит из нескольких пачек угля толщиной 0,11—0,33 м, перемежающихся породными прослойками, при общей мощности всей пачки пласта 1,8—2,0 м. Газообильность пласта 4—10 м3/т суточной добычи.

Пласт Девятка также имеет сложное строение, мощность его 0,8 м, плотность угля 1,38 г/см3, водообильность 5—16 м3/ч, газообильность 30,4 м3/т суточной добычи.

Целью физических измерений было установление связи между достаточно мощным волновым воздействием на газонасыщенные угли и динамикой изменений газового давления и температуры в выбросоопасных и невыбросоопасных угольных пластах. Предусматривалось также измерение параметров волн напряжений от взрыва, давления газа и температуры в пласте угля в квазистатическом режиме в трех пунктах: на пластах Мазур и Девятка (выбросоопасные) и на пласте Кирпичевка (невыбросоопасный). Схема расположения замерных скважин и измерительных устройств представлена на рис. VII.2.

Наблюдения за квазистатическим изменением газового давления в пластах проводились с помощью гидравлических датчиков ПГД-2, самопишущих и образцовых манометров. Для слежения за динамикой изменения давления газа в пластах Девятка и Кирпичевка использовались мембранные датчики давления, соединенные с герметизатором скважин конструкции ИГД им. А.А. Скочинского.

Чувствительный элемент датчика представлял собой тензорезистор сопротивлением 100 Ом, соединенный для температурной компенсации по схеме полумоста с аналогичным тензорезистором. Для измерения величины тока, возникающего при разбалансе, использовалось измерительное устройство ИИД-3 с выходом на шлейфовый осциллограф H-115. Устройство иид-3 выполнена во взрывобезопасном исполнении и представляет собой мостовую схему повышенной чувствительности.

Датчик давления в собранном виде был предварительно протарирован, градуировочные кривые приведены на рис. VIII.3. Измерительный канал осциллографа, в котором для регистрации использовался гальванометр М004 с собственной частотой 300 Гц, аналогичным образом был протарирован по току. Измеряя отклонение луча на фотоленте и ток в гальванометре, оценивали величину давления, воспринимаемого датчиком в шпуре.

Для измерений температуры в пласте Девятка использовалась станция ИИД-3, в качестве активных элементов в полумостовой схеме — термосопротивления марки KMT-12 с исходным сопротивлением 240 Ом. Для уменьшения чувствительности каждое из сопротивлений шунтировалось сопротивлением 10 Ом. В связи с тем, что компенсационное сопротивление размещалось у измерительной станции, сопротивление проводов компенсировалось проволочным переменным сопротивлением. Использованная схема отличалась большой чувствительностью. Градуировка по ртутному термометру показала, что чувствительность измерительного устройства составляет 70 мкА/градус.

Температура в пласте Кирпичевка измерялась посредством термопары медь-константан. Усилительного устройства не предусматривалось в связи с отсутствием такого устройства во взрывобезопасном исполнении.

Для измерения параметров волнового процесса использовались серийные сейсмоприемники марки СВ-1-10 с собственной частотой колебаний 10±0,4 Гц. Датчики устанавливались на поверхности забоя: на пласте Девятка — во вмещающих породах, на пласте Кирпичевка — в угле. Для крепления использовали быстросхватывающийся цементный раствор. Регистрация колебательного процесса производилась по гальванометрической схеме (датчик—гальванометр) без промежуточного усиления сигнала. Сопротивления подводящих кабелей длиной около 1 км составляли 60 и 80 Ом для датчиков соответственно на пласте Девятка и Кирпичевка, Гальванометры, использованные для регистрации, имели собственные частоты 300 Гц для датчиков на пласте Девятка и 60 Гц датчиков на пласте Кирпичевка. Скорость развертки в первые десять секунд после начала записи процесса составляла 0,5 м/с и уменьшалась до 0,05 м/с. Общая длительность записи, считая от момента взрыва, составила 2 ч 30 мни. Схема полученных осциллограмм приведена на рис. VIII.4.

Ввиду очень сильного толчка при взрыве произошло выплескивание за пределы лепты фотобумаги лучей гальванометра, соединенных с сейсмоприемниками, что не позволило определить начальные параметры волны напряжений. Удалось оценить лишь частоту и длительность колебательного процесса. Последняя по различным составляющим движения пород составила 70—300 мс. Самой длительной (до 300 мс) была запись колебании вертикальной составляющей на пласте Девятка, самой короткой — запись на пласте Кирпичевка. Зарегистрированные частоты составили 150—1100 Гц. Доминирующая частота колебаний, зарегистрированная на пласте Кирпичевка, составила 190—235 Гц, а на пласте Девятка — 200—250 Гц. Если учесть, что для взрывов такой мощности частота колебаний обычно не превышает 30 Гп, то становится совершенно очевидной трансформация угольными пластами взрывного импульса в цуг воли, частота которых значительно выше.

В момент прохождения взрывной волны в выбросоопасном угольном пласте Девятка зарегистрировано скачкообразное изменение давления газа с амплитудой 10 кгс/см2. Нa невыбросоопасном пласте Кирпичевка изменения газового давления не отмечены. Давление измерялось в скважине объемом, превышающим объем пор и трещин более чем на три порядка. Поэтому можно утверждать, что истинные давления в реальных объемах газа в угольном пласте были соизмеримы с амплитудой взрывного импульса. Однако длительность давления газового импульса значительно короче зарегистрированной длительности волны. Поэтому полностью отнести удлинение взрывной волны за счет газового давления нельзя.

В то же время взаимодействие проходящей волны с большим числом локальных возмущений, генерируемых источниками газового давления (порами, трещинами и др.), безусловно, осциллирует знакопеременное возмущение в пласте угля с периодом колебания, зависящим от периодичности возникновения точек возмущения при прохождении взрывного импульса. В настоящее время пет возможности пойти далее качественного рассмотрения этого явления, так как неизвестны истинные величины газового давления и периодичность их возмущении. Однако заранее можно утверждать, что расположение источников газового давления хаотично и после интерференции возмущении от них со взрывным импульсом нельзя получить четкого периодического импульса.

В пласте при воздействий на него волны напряжении за счет явлении преломления и отражения создается очень сложное волновое поле, которое состоит из движущихся по пласту с различной скоростью потоков энергии. Математическое описание этого явления крайне сложно, особенно если учесть затухание воли и изменение акустических характеристик пласта за счет явлении адсорбции-десорбции находящегося в нем газа под действием волны напряжений, а также развивающееся трещинообразование. Можно, однако, приближенно оценить явление, учитывая лишь частоту колебаний. В колеблющемся пласте при изменении его акустической жесткости возможно возникновение параметрического резонанса. Для периода колебаний, отнесенного к толщине пласта, будем иметь

где t — период воли, с; су — скорость продольных воли в пласте угля, м/с; n = 1, 2, 3...

При толщине пласта 1 м периоды воли составят t1 = 0,003 с, t2 = 0,006 с и т. д., а в колебаниях будут присутствовать гармоники с частотами 1000, 500, 250, 125 Гц, что в общем-то и зарегистрировано при инструментальных замерах.

Анализ осциллограмм показывает, что через 0,7 с после прохождения импульса возникает газовая волна с усредненной амплитудой 10 кгс/см2 вначале с низким периодом колебаний, а затем с периодом 0,4 мс в режиме, схожем с резонансным, и максимальная амплитуда колебаний достигает 30—40 кгс/см2, затем амплитуда колебаний затухает. Через 0,6 мс снова возникает скачок давления, равный 25—30 кгс/см2, переходящий в низкочастотное затухающее колебание давления только в положительной фазе. По-видимому, после прохождения взрывного импульса возникла лавинная десорбция газа в пустоты угольного пласта. Поскольку пласт не имел свободной поверхности, энергия не могла реализоваться в выброс угля и поэтому произошло перераспределение содержащегося газа в массиве, были синвелированы области с экстремальным и минимальным давлениями, а также, возможно, произошла миграция газа в окружающие породы.

По истечении 1,5 с после прохождения волны напряжении динамические проявления изменения газового давления прекратились. Дальнейшие его изменения проходили в статическом режиме, хотя манометры и показали скачок давления амплитудой 0,3 кгс/см2. На пласте Кирпичевка датчики не зафиксировали никаких динамических проявлении газового давления, что вполне объяснимо, поскольку пласт невыбросоопасный. Здесь отсутствовали также какие-либо температурные изменения при прохождении волны. На пласте же Десятка отмечены существенные колебания температуры (см. рис. VIII.4). Причем температурные флуктуации по времени четко совпадают с изменениями газового давления, что говорит о единстве причин, порождающих эти изменения, и достоверности самих изменений.

Осциллографическая запись температуры показывает, что в угольном пласте Девятка после окончания интенсивного колебательного процесса. примерно через 100 мс после подхода волны напряжений к датчикам, имеет место скачкообразное изменение температуры: температура увеличивается, затем падает до исходной, снова возрастает до той же величины и опять возвращается практически к начальному состоянию. Длительность колебаний температуры окаю 200 мс. Затем через 560 мс снова наблюдаются колебания температуры. Измерения показывают, что максимальное изменение температуры в пласте при действии взрывной волны составляет 0,06°С. Изменения температуры, как это уже отмечалось выше, по времени совпадают с колебаниями давления газа и происходят после того как волновой процеcc от взрыва уже закончился. Так как процессы сорбции и десорбции метана сопровождаются высвобождением или затратами тепла, то зафиксированное датчиками повышение температуры указывает на переход части газа в сорбированное состояние.

Статические измерения давления газа в скважинах на пласте Кирпичевка не показали его роста под действием взрывного импульса. В скважинах на пласте Девятка зафиксировано увеличение газового давления на 25%. Нa пласте Мазур не удалось выявить влияние взрыва на процесс повышения давления в скважинах за счет естественной дегазации.

Таким образом, эти эксперименты, проводимые и реальных условиях залегания угольных пластов, позволили установить следующее.

Выбросоопасные и невыбросоопасные угольные пласты пo-разному реагируют на действие воли напряжении камуфлетного взрыва. Различие это связано с имеющимся в пласте газом, а проявляется в параметрах механических движений пласта.

При действии переменной импульсной нагрузки (типа взрывной волны) в выбросоопасном угольном пласте происходит динамическое изменение равновесного состояния между свободным и сорбированным газом, связанное с десорбцией при микроразрушениях и изменением сорбционного объема порового пространства в углях.

Изменение температуры, наблюдавшееся в выбросоопасном угольном пласте при действии волны напряжении, невелико и, очевидно, является результатом действия двух процессов: роста температуры при увеличении давления в поровом объеме пласта и свободном пространстве шпура и снижения температуры за счет десорбции газа. Статические измерения температуры в скважинах не показали ее роста.

Полученные данные дают основание считать, что увеличение интенсивности волнового воздействия к его длительности должно привести к еще большему росту давления свободного газа в имеющихся естественных или искусственно созданных полостях в пласте. При наличии открытых шпуров и скважин возможно увеличение выхода газа в атмосферу шахты. Увеличения температуры массива при этом вряд ли следует ожидать, так как ее рост будет компенсироваться снижением за счет десорбционных процессов.

Эксперименты по релаксации напряжении в массиве пород с помощью взрыва целесообразно было проводить в лабораторных условиях.

В ходе лабораторных экспериментов легче, чем при полевых наблюдениях, можно выявить природу воздействия взрывных сейсмических источников, так как сила взрыва, поле предварительных напряжений и упругие свойства среды могут быть изменены известным образом. Две серии отдельных экспериментов были выполнены со взрывами в предварительно-напряженной среде. В первой использовались скрученный стержень, взрывной источник и набор деформометров. Вторая серия экспериментов была выполнена с точечным источником в предварительно-напряженной двумерной плоской модели. Для определения эффектов взрыва вблизи источника, излучения волны напряжений и образования трещин как функции свойств среды и уровня предварительных напряжений использовались фотоупругость и скоростная киносъемка.

Простая схема одномерного лабораторного эксперимента, позволяющего уловить основные физические процессы, участвующие в формировании волны напряжений от источника взрыва в предварительно-напряженной среде, показана на рис. VIII.5.

Плексигласовый стержень диаметром 1,27 см и переменной длины (не превышающей 2 м) был подвергнут деформации кручения. В нескольких сантиметрах от конца взрывной мостик, 3 помещался в небольшую кольцевую щель и взрывался от источника высокого напряжения с энергией, достаточной для отделения конца стержня и освобождения последнего от зажима, который удерживал его в скрученном состоянии. Излучаемые волны записывались с помощью набора деформометров, помещенных на периметре стержня на различных расстояниях от источника взрыва и ориентированных под углом 45° к оси стержня. Использовались четыре датчика: одни — подключался непосредственно к осциллографу 5 и сигналы со всех четырех записывались из магнитофон 4. Перед взрывом мостика снимались, также статические показания, чтобы иметь замеры уровня предварительных напряжений.

Типичные осциллограммы, полученные в результате четырех экспериментов с различными уровнями предварительных напряжений, показаны на рис. VIII.6. Два отстающих друг от друга импульса на осциллограммах являются одномерными эквивалентами поли P и S. Измерения скорости с использованием датчиков на разных расстояниях or точки взрыва идентифицировали как продольную волну P, так и волну кручения S. Отличие форм поля P и S показывает, что форма волны P определяется функцией времени источника взрыва, форма волны S характеризуется «ступенчатым» вступлением, соответствующим непрерывной релаксации напряжений кручения в среде. Было получено большое число осциллограмм при различных предварительных напряжениях в среде, по с одинаковыми источниками взрыва. На рис. VIII.7 представлены амплитуды воли P и S как функции уровней предварительных напряжений. Совершенно очевидно, что амплитуда волны S вследствие высвобождения деформаций линейно возрастает с увеличением поля предварительных напряжений oпред, в то время как амплитуда волны P остается постоянной.

Очевидно, результаты экспериментов с одномерной моделью не могут быть использованы для моделирования пространственного изменения картины излучения от взрыва в предварительно-напряженной среде. Однако близкое соответствие с подземным взрывом может Сыть достигнуто путем двумерного моделирования. Процесс эксперимента на этой стадии включал стеклянные или плексигласовые пластины, подверженные растяжению или сдвигу. Взрывался небольшой заряд, а картина напряжений исследовалась методом динамической фотоупругости. В дополнение к этому были использованы деформометры. Применение стекла в качестве материала очень важно, так как его свойства ближе к природным силикатам, чем свойства пластмасс или металлов.

На рис. VIII.8 показан внешний вид аппаратов, использовавшихся для экспериментов с двумерными моделями. Взрывное нагружение модели достигалось использованием детонирующего шнура; модель была окружена поляроидами, так что процессы взрыва, разрушения, генерации волны напряжений и ее распространения могли наблюдаться высокоскоростной камерой.

Чтобы понять картину полос, зарегистрированную высокоскоростной камерой, необходимо привести основные положения и результаты некоторых вычислений.

При прохождении через напряженную пластину монохроматический поляризованный по кругу свет становится поляризованным в двух перпендикулярных направлениях. Они параллельны направления главных напряжений в плоскости пластины. Изохроматические полосы пропорциональны разнице главных напряжений (о1—о2) и, следовательно, максимальному напряжению сдвига.

Порядок интерференции можно представить формулой

где тmax — максимальное напряжение сдвига, кгс/см2; k — толщина пластины, см; f — постоянная, зависящая от длины волны.

Таким образом, если для освещения используется белый свет, то получается цветная интерферецционная картина.

Теоретические изоклины и изохромы для радиального источника и пластине показаны на рис. VIII.9.

Чтобы лучше понять изохроматику в непосредственной близости от источника, где форма волны изменяется, выполнен теоретический расчет для цилиндрического источника в пластине.

Величины давления в полости показаны на рис. VIII.10, где радиальные напряжения, смещения и максимальные напряжения сдвига для стекла и плексигласа вычислены как функции относительного расстояния, равного отношению расстояния к радиусу полости источника.


Следующим этапом этой работы было установление влияния предварительного напряжения на генерирование и излучение сейсмических волн.

Исходя из этого, били повторены эксперименты по фотоупругости с источником взрыва в предварительно-напряженных пластинах. Пластины из плексигласа и стекла были предварительно нагружены напряжениями чистого растяжения или сдвига.

Сдвиг создавался применением равных по величине сил растяжения и сжатия соответственно по осям у и х. Максимальная величина напряжении ограничивалась 167 кгс/см2 и определялась прочностью модели.

Поле статического напряжения вычислялось при наличии маленького отверстия, высверленного для установки источника взрыва в центре пластины. Радиальная оr, тангенциальная o0 и сдвиговая or0 компоненты напряжения вокруг отверстия радиусом а были рассчитаны методом Мусхелишвили.

После взрыва заряда в предварительно-напряженной пластине компоненты динамического напряжения взаимодействуют со статическим полем, усложняя картину изохром и изоклин. Чтобы избежать трудностей, связанных с выделением динамических составляющих на фотоснимках, были использованы деформометры.

Набор четырех деформометров был применен для определения азимутальных изменений амплитуд воли P и S при различных условиях предварительного напряжения. Выходной сигнал записывался на осциллографе. Каждый деформометр имел активную площадь 8х10 мм, что ограничивало их характеристики периодом порядка 4 мкс.

В большинстве экспериментов деформометры ориентировались на угол 45° по отношению к радиусу и устанавливались по азимуту на углы 0 = 0, 30, 60 и 90°, на расстоянии 16 см от источника. Так как наличие симметрии видно из кинокадров, инструментальное обеспечение деформометрами только одного квадрата оказалось достаточным для определения компонентов излучения.

Эксперименты по замеру деформации проводились при предварительном нагружении пластин и без него. В случае пластин без предварительного нагружения волны незначительно превышали уровень шума. Ho при предварительно нагруженных плексигласовых и стеклянных пластинах волны S были четко записаны. Картины излучения воли P и S для тех и других пластин, нагруженных силами растяжения соответственно 163 и 114 кгс/см2, показаны на рис. VIII.11.

Используя локальное уравнение плоской волны, определяем энергию деформации из равенства

где W — энергия; Pi и ei — соответственно главные напряжения и деформации. Для воли сжатия деформации измеряются деформометрами, ориентированными под углом 45° к радиусу, и e1 = 2е, а для воли сдвига e=e1=-e2. Величины энергий Wp и Wв могут быть определены следующим образом:

где vp и vs — скорость соответственно продольной и поперечной волны.

Как видно из рис. VIII.11, волна 5 может излучаться как дипольным, так и квадрупольним источником. Излучение волны менее заметно, так как волны взрыва и излучения от предварительных напряжений накладываются. Очевидно, что картина излучения для волны P будет функцией от 0 и иметь вид (А + Bcos20), где А и В — константы.

При анализе картины излучения, представленной на рис. VIII.11, возникают два вопроса:

1) откуда берется энергия для волны S;

2) какова причина асимметрии излучения волны Р.

Рассмотрим вопрос об энергии. Можно вычислить энергию волн P и S, интегрируя поток энергии [уравнения (VIII.4) и (VIII.5)] на протяжении всего импульса.

На том уровне приближении, который здесь используется, можно оценить эти интегралы, подставляя соответствующие синусоиды для полуциклов сжатия и растяжения. Интегрируя затем по азимуту, в соответствии с картиной излучения получаем приблизительные выражения для общей энергии Ep, Es в волнах P и S длительностью t0:

где h — толщина модели; r — расстояние от датчика до источника; А45, В45 — амплитуды волн P и S. Предполагается, что деформометры установлены под углом п/4 к радиус-вектору от источника.

Энергия волны S не может быть вызвана преобразованием энергии взрыва, поскольку волна S практически не образуется в ненапряженных средах. Таким образом, причину возникновения волны S нужно искать в высвобождении энергии предварительных деформаций. Взрыв дробит небольшой объем, прилегающий к месту детонации. В анализируемых экспериментах эта область не более 1 см в диаметре. На большее расстояние распространяются радиальные трещины.

Если вся энергия деформации в зоне радиуса излучается в виде сейсмической волны, общее ее количество будет

где E — модуль Юнга; h — толщина модели.

Уравнение (VIII.8) позволяет оценить верхний предел сейсмической энергии. Задача состоит в том, чтобы определить радиус зоны трещинообразования. В экспериментах зоны дробления и интенсивного трещинообразования имели соответственно радиусы 0,4 и 1,0 см.

Измеренная энергия в волне 5 и рассчитанный максимум возможной энергии деформации до взрывов в предварительно напряженных пластинах из стекла и плексигласа приведены в табл. VIII.1.

Из сравнения данных табл. VIII.1 с приведенными ранее величинами энергий волн видно, что энергия деформаций меньше, чем общая энергия, излученная в виде волны S при Q=1 см. Следует также иметь в виду, что не вся излученная энергия попадает в спектральный диапазон проводимых измерений. Таким образом, становится ясно, что область источника значительно больше, чем зона дробления. Очевидно, напряжения релаксируются и вдоль радиальных трещин, которые распространяются на значительно большие расстояния от места взрыва. Явления, связанные с трещинообразованием, будут рассмотрены ниже.

Рассмотрим теперь вопрос об асимметрии излучения волны Р. Очевидно, оно не может быть отнесено к асимметрии взрыва, поскольку наблюдается только в экспериментах с предварительным нагружением. Из приведенных выше рассуждении видно, что рост трещин влияет на картину излучения.

Расчет по известным зависимостям картины излучения от трещины, распространяющейся перпендикулярно к растягивающим напряжениям, показывает, что излучение воли P и S пропорционально:
Управление состоянием массива с помощью взрыва

где с — скорость распространения трещины, м/с.

В экспериментах, результаты которых представлены на рис. VIII.11, наблюдается дополнительная изотропная компонента вследствие наложения волны P от взрыва.

Ряд теоретических картин излучения, вычисленных с помощью уравнении (VIII.9) и (VIII.10). приведен на рис. VIII.12. Графики выполнены в полярных координатах. Ввиду симметрии приведен первый квадрант каждого графика. Каждая кривая нормализована по отношению к своей максимальной величине. Из рисунка следует: увеличение скорости трещины приводит к смещению максимума излучения в направлении распространения трещины; увеличение изотропной компоненты не изменяет положения максимума.

Из сравнения экспериментального смещения максимума излучения волны P (см. рис. VIII.11) с теоретическим (см. рис. VIII.12) видно, что трещины движутся со скоростью 0,6 vs в обоих материалах.

Напряжения в непосредственной близости от места взрыва очень высоки и достигают сотен тысяч кгс/см2. Они значительно превосходят прочность материала, в результате чего распространяется зона дробления, размеры которой колеблются от нескольких миллиметров до сантиметра. По мере распространения волны напряжений давление падает и достигает предела упругости материала. Между зонами дробления и упругости существует зона радиальных трещин, которые возникают от разгрузочной (дилатенсионной) фазы волны напряжений.

Результаты экспериментов с ненапряженными пластинами установили изотропное расположение радиальных трещин и рост их в радиальных направлениях. В случае предварительно-напряженных пластин трещины вначале также растут радиально. Однако спустя некоторое время трещинообразование останавливается либо поворачивается в направлении, обусловленном напряженным состоянием. Для растянутых пластин предпочтительным является направление, перпендикулярное к оси растяжения.

Наблюдения при различных напряжениях дали возможность вывести зависимость предельной скорости трещин от уровня предварительных напряжений; такая зависимость для стеклянных пластин представлена на рис. VIII.13.

Наивысшая скорость трещины в ненапряженной стеклянной пластине с=1,70±0,03 км/с, отношения этой скорости к скоростям продольных и поперечных волн соответственно c/vp=0,32 и c/vs=0,51. Для стеклянной пластины, растянутой до 114 кгс/см2, динамическая скорость трещин составляет 1,84±0,02 км/с при отношении c/vp=0,35 и c/ys=0,55. Промежуточное (45 кгс/см2) растяжение дало такую же величину скорости, как и в пластинах без нагрузки.

Было бы полезно сравнить полученные значения скорости трещин с теоретически предсказанной и с другими экспериментальными результатами.

Необходимым условием распространения эллиптической трещины является достижение напряжения на ее вершине теоретической прочности материала. Для упрогости хрупких тел могут быть применены соотношения Гриффитса.

Нa основе теоретической модели выражение для скорости распространения трещины можно представить так:

где с — скорость трещины; Ws — поверхностная энергия трещины; Wк — энергия деформаций: ys — удельная поверхностная энергия; Е — теоретическая прочность; I — полудлина трещины; v — коэффициент Пуассона.

Из формулы видно, что второй член в скобках очень мал и теоретическая максимальная скорость трещин приближается к с=0,38 vp. Эта величина находится в соответствии с другими исследованиями, при которых с = 0,63 ys.

Эффект предварительного напряжения материала состоит в том, что увеличивается концентрация напряжений WЕ на вершине трещины, в то время как энергия связи Ws уменьшается. Таким образом, при увеличении уровня предварительных напряжений Wв/Wк стремится к нулю и скорость трещины достигает своего критического значения: с —> 0,38 vp.

Наблюдаемые величины несколько ниже теоретических, основанных на полностью упругой модели, так как в процессе разрушения всегда присутствуют пластические деформации и и «мягких» стеклах предельная скорость не может быть достигнута.

Влияние трещин, образующихся при взрыве, на картину излучения сейсмических волн весьма существенно. Прежде всего, трещины увеличивают объем источника и создают условия для превращения части энергии взрыва в сейсмическое излучение сложной конфигурации. Это излучение изотропно в случае взрыва в ненапряженной среде. В присутствии поля напряжений (например, тектонических) рост трещин до значительной длины в некоторых преимущественных направлениях приводит к когерентному излучению энергии тектонических деформаций и к преобразованию части энергии взрыва.

Здесь следует отметить, что даже при идеальных условиях эксперимента картина излучения несколько усложнялась вследствие наличия нескольких трещин и неоднородности их роста. Этим можно объяснить отклонения от идеальной картины излучения при натурных измерениях.

Основываясь на полевых наблюдениях и на лабораторных экспериментах, можно утверждать, что взрыв в предварительно нагруженной среде высвобождает часть энергии деформации и механизм высвобождения этой энергии во многом напоминает механизм землетрясения.

Количество высвобождаемой энергии деформации существенно зависит от уровня предварительных напряжении. Трещины, распространяющиеся при взрыве, влияют на картину излучения сейсмической волны и на степень высвобождения энергии тектонических деформаций. Сама по себе полость взрыва не может быть причиной высвобождения всей энергии. Картина излучения сейсмических волн часто усложнена ростом трещин с некоторой конечной скоростью и релаксацией напряжений вдоль различных нарушений и трещин.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2022
При цитировании информации ссылка на сайт обязательна.
Копирование материалов сайта ЗАПРЕЩЕНО!