Физика взрыва

ФИЗИКА ВЗРЫВА (а. explosion physics; н. Physik der Explosion; ф. physique de l'explosion; и. fisica de explosion, fisica de estallido, fisica de detonacion) — наука, изучающая явление взрыва и механизм его действия в среде.

Нарушение механического равновесия вследствие быстрого выделения энергии в ограниченном пространстве, воспринимаемое как взрыв, порождает в окружающей среде взрывные волны. Процессы, ответственные за быстрое выделение энергии, очень разнообразны: детонация взрывчатых веществ, тепловой взрыв, цепные реакции химические и ядерные, разрушение напряжённого твёрдого тела и оболочек со сжатым газом, парообразование в перегретой жидкости и др. Отличительная особенность этих процессов — ускорение энерговыделения после инициирования. При этом расширение области энерговыделения происходит со скоростями, как правило, превышающими скорость звука в невозмущённой среде.

Механизм действия взрыва охватывает процессы передачи и диссипации энергии взрыва в окружающей среде. Наибольшее значение имеют процессы в ударных волнах: нагрев, ионизация и свечение газов, разрушение и фазовые переходы в конденсированных средах, необратимые изменения в веществе. Неустановившееся механическое движение окружающей среды при взрыве обычно осложнено её неоднородностью и многофазностью, разнообразием текстуры и структуры. При больших масштабах взрыва ощущается влияние действия силы тяжести и тектонических напряжений. Среди разнообразных эффектов взрыва самостоятельный интерес представляют: кумуляция (см. Кумулятивный заряд), взаимодействие ударных волн, образование камуфлетной полости и воронок выброса при подземном взрыве, дробление горных пород волной сжатия и разрушение массива волнами, отражёнными от свободной поверхности, пульсация пузыря при подводном взрыве.

Физика взрыва позволяет на каждой стадии развития взрыва выделить группу определяющих физических параметров и сформулировать правила преобразования координат и времени для обнаружения подобия разномасштабных взрывов. Физика взрыва формирует представления о явлениях, которые служат базой для инженерных методов расчёта зарядов взрывчатых веществ и действия взрыва, выбора способов эффективного управления действием взрыва, а также для решений технологических задач. Качественно различные задачи перед физикой взрыва стоят в зависимости от области применения взрыва и планируемого результата: Взрывное разрушение горных пород, их направленное перемещение (см. Направленный взрыв) или уплотнение, а применительно к металлам — сварка, резка, упрочнение, штамповка и т.п. (см. Взрывная технология). Управление механическим действием взрыва достигается дозированием энергии взрыва (выбор типа взрывчатого вещества и массы заряда) и распределением взрывных нагрузок в среде (форма заряда и глубина его заложения, взаимное расположение систем зарядов, выбор точек инициирования взрыва, очерёдность взрывания и интервалы замедления и т.п.).

Для решения задач физики взрыва применяются аналитические методы, лабораторные исследования (в т.ч. моделирование), промышленные эксперименты. Физика взрыва использует представления и методы разных наук — математики, гидро- и газодинамики, термодинамики и механики твёрдого тела.

Исторический очерк. Формированию физики взрыва в научную дисциплину предшествовали экспериментальные исследования в области действия взрыва в горных породах и взрывного превращения. Первая формула определения величины заряда взрывчатых веществ была предложена в 1628 во Франции инженером А. Девилем. 100 лет спустя французский генерал Б. Белидор впервые сформулировал основы теории взрывного разрушения. В 1866 русский военный инженер М. М. Фролов предложил форму для определения показателя выброса (величина воронки выброса и т.п.), основанную на принципе геометрического подобия. В 1869 эта формула была уточнена русским военным инженером М. М. Боресковым (формула Борескова), который ранее (1864) открыл явление кумуляции энергии взрыва. В 1880 русский учёный И. М. Чельцов решил в общем виде задачу оценки работоспособности взрывчатых веществ и работы взрыва. Он предложил научно обоснованный метод оценки полной работы газообразных продуктов взрыва. В 1881 П. Э. М. Бертло и П. Вьель (Франция) сделали фундаментальное открытие, указав на существование взрывной волны, в которой наблюдались большие значения давления и температуры, а скорость её распространения оставалась постоянной и достигала нескольких тысяч м/с. В 1889 русский учёный В. А. Михельсон первым обратил внимание на аналогию между распространением детонации и ударной волны. Изучая детонацию, как процесс распространения химической реакции, он вывел формулу скорости детонации и заложил основы количественной теории распространения детонационной волны, которая теперь известна как гидродинамическая теория детонации. Теоретическое решение задачи распространения детонации принадлежит С. Чепмену (Великобритания, 1889) и Э. Жуге (Франция), вошедшим в историю как создатели теории плоской детонационной волны. Работы Михельсона, Чепмена и Жуге заложили фундамент термодинамической теории детонации, наиболее полно развитой спустя 50 лет в трудах советского учёного К. И. Щёлкина. В этой теории существенная роль отводится тепловым факторам, в частности теплопроводности. В 1920 английский учёный А. А. Гриффитс пришёл к выводу, что причиной разрушения среды при взрыве служат микротрещины, существующие в среде. Советский учёный А. Ф. Иоффе, работавший в 1924 с образцами каменной соли, и английский учёный Э. Орован (1933), изучавший прочность на растяжение листовой слюды, оценили влияние структурных дефектов на характер разрушения хрупких материалов. Первая общая теория регулирования дробления горных пород взрывом разработана в 1935 советским учёным М. В. Мачинским, согласно которому дробление определяется тремя главными факторами: действием волны сжатия, наличием слабых мест в породе и скоростью распространения в ней трещин. При этом Мачинский рассмотрел совместное действие системы точечных и линейных зарядов, уделяя особое внимание определению оптимального расстояния между зарядами.

Советский учёный Н. Н. Семёнов в 1928 создал количественную теорию теплового самовоспламенения, которая позволила определить границы теплового и цепного возникновения взрыва и условия взаимосвязи этих двух механизмов. Установив связь между скоростью горения и характеристиками горючей смеси, советские учёные Я. Б. Зельдович и Д. А. Франк-Каменецкий разработали теорию горения газов (1938), которая, как показал А. Ф. Беляев, приложима и к горению конденсированных взрывчатых веществ. Наиболее полно теория горения газов разработана Зельдовичем, согласно которому локальное поджигание газовой смеси может при определённых условиях привести к взрыву. Позднее советские учёные К. К. Андреев и Беляев рассмотрели условия перехода медленного горения в полноценный взрыв. В 1940 советским физиком Ю. Б. Харитоном разработана теория детонационной способности взрывчатых веществ, определяющая условия устойчивости детонации. Благодаря этому, удалось объяснить затухание детонации и оценить значение предельного диаметра, при котором она ещё может распространяться, и сделать вывод, что скорость химического превращения при детонации не бесконечна, а имеет определённые конечные значения, и всякая система, способная к экзотермическому превращению, в принципе взрывоспособна. Харитоном, в частности, определён принцип, который связывает взрывную способность веществ со скоростью химической реакции во фронте взрывной волны. Он установил, что возникновение взрыва при ударе связано с влиянием микроскопических областей разогрева. В 40-х гг. Ф. П. Боуден установил, что возникновение взрыва при ударе проходит несколько стадий и является весьма сложным процессом. Зельдович (1940) и американские учёные Дж. Нейман (1942) и У. Дёринг (1943), исследуя независимо друг от друга влияние конечной скорости реакции на детонацию, показали наличие повышенного давления в начале зоны реакции. Эти исследования расширили представления о структуре ударных волн и роли физико-химических превращений при ударном сжатии, создали основы одномерной теории детонационной волны.

Интенсивные теоретические исследования зоны физико-химических превращений в ударных волнах начались с конца 40-х гг. (Зельдович и Г. Паттерсон). Ряд теоретических и экспериментальных работ был посвящен определению толщины фронта ударной волны (Л. Томас и П. Либби, США; М. Мордухов, CCCP, и др.).

В 1943 Г. И. Покровским (CCCP) была высказана идея о гидродинамической кумуляции энергии взрыва, которая была разработана в виде теории в 1945 М. А. Лаврентьевым (CCCP) и независимо Дж. Биркгофом (США). На основе гидродинамической теории Лаврентьев определил скорость, толщину и длину кумулятивной струи, а также скорость и глубину проникновения исходной струи в твёрдое тело, расположенное на пути её движения. В 1948 американские учёные Р. Курант и К. Фридрихс опубликовали работу по исследованию механизма ударных волн в твёрдых телах. Теорию подводного взрыва подробно разработал в 1948 Р. Х. Коул (США), исследовавший особенности распространения ударных волн в воде, явления кавитации и пульсации газового пузыря вокруг точки взрыва, законы затухания ударных волн в воде.

Фундаментальные результаты экспериментальных исследований детонации конденсированных взрывчатых веществ получены А. Н. Дрёминым. В 1952 Беляев и М. А. Садовский показали, что бризантные характеристики взрывчатых веществ, обусловленные головной частью импульса взрыва и связанные с плотностью взрывчатых веществ и скоростью его детонации, предопределяют регулирование степени дробления породы только в непосредственной окрестности заряда. Общее действие взрыва, проявляющееся в разрушении твёрдых сред на более значительных расстояниях от заряда, пропорционально полному импульсу взрыва и непосредственно не зависит от скорости детонации. Поэтому для регулирования дробления больших объёмов горных пород необходимо не повышение пикового давления, а увеличение длительности воздействия взрыва на породу. В середине 50-х гг. Покровским была предложена одна из первых концепций расчёта разрушения горных пород при взрыве. Согласно его представлениям, в некоторой окрестности места взрыва среда переходит в пластическое состояние. Вслед за этой областью следует зона трещинообразования, в которой действуют растягивающие напряжения. Основываясь на общей качественной картине разрушения и простых расчётных схемах, Покровский предложил ряд удобных формул, нашедших широкое применение во взрывном деле в большом диапазоне изменения свойств горных пород и параметров зарядов. В 1956 на основе подобных же принципов японские исследователи (Кумао Хино и др.) сформулировали теорию и принципы расчёта скважинных зарядов. Исследования механизма взрыва и его действия в среде позволили научно обосновать применение зарядов взрывчатых веществ с воздушным промежутком и радиальными зазорами для регулирования дробления пород взрывом (Н. В. Мельников, Л. Н. Марченко, 1937-58, CCCP). В 1959 советским учёным Г. П. Демидюком было показано, что увеличение доли энергии взрыва, расходуемой на дробление горных пород, связано с изменением плотности заряжания и геометрией расположения зарядов взрывчатых веществ.

При исследовании параметров действия взрыва в грунтах и горных породах широко использовались физико-математические модели идеальной несжимаемой жидкости, когда сам взрыв считается мгновенным. При этом распределение импульсов давления и скоростей в пространстве сразу после взрыва определяется из решения краевой задачи для уравнения Лапласа. Такой физико-математический подход развивали Лаврентьев и О. Е. Власов (1945). В 1957 Х. А. Рахматулин (CCCP) предложил модель "пластического газа", являющуюся некоторым обобщением модели идеальной сжимаемой жидкости и дающей идеализированное описание свойств грунтов. Согласно этой модели однозначная зависимость между давлением и плотностью газа при нагрузке (касательные напряжения не учитываются) заменяется при разгрузке другой закономерностью (в простейшем случае принимается, что в условиях разгрузки плотность остаётся постоянной). В работах Компанейца (1956), Н. В. Зволинского (1960), А. Я. Сагомоняна (1961) в аналогичных одномерных задачах учитывались также касательные напряжения (с условием пластичности Прандтля). В середине 50-х гг. значительное внимание было уделено изучению возможности применения ядерных взрывов в мирных целях. Известный французский военный инженер К. Ружерон в книге "Использование энергии термоядерного взрыва" (1956) рассмотрел как физические аспекты ядерного взрыва, так и возможные направления его мирного использования в гидротехническом строительстве, пополнении энергетических запасов, в химической и горнодобывающей промышленности, а также его влияние на изменение климата планеты. Одновременно такая же постановка проблемы предлагалась и Покровским (1956). Созданная в 1946 Комиссией по атомной энергии США (с 1975 Управление по энергетическим исследованиям и разработкам) научно-техническая программа проведения ядерных и химических взрывов в мирных целях ("Плаушер") позволила в последующие годы получить уникальные экспериментальные данные по оценке действия ядерных взрывов в горных породах, результаты которых обобщены в научных трудах К. Лэмпсона (1954), С. Ф. Клаузена (1962), Е. В. Карпентера (1962), Т. Гинзбурга (1966), К. Гербера (1967) и других американских учёных. В 1957 в CCCP выполнена серия экспериментальных исследований взрывного действия зарядов (масса до 1000 т) на выброс и сейсмического эффекта подземных взрывов (В. Н. Родионов, А. Н. Ромашов, Б. Г. Рулев, Е. И. Шемякин). В этот период также совершенствуются методы и разрабатываются новые технические средства ведения взрывных работ в горном деле и строительстве (Г. Латан, 1960, и Д. Харцт, 1962, ФРГ; М. Лоисон, 1962, Франция; Р. С. Карлсон, 1962, Канада; Д. С. Райнхардт, 1962, США; Л. Дон Лит. 1963, Великобритания; У. Лангефорс и Б. Кильстрем, 1964, Швеция). В работах Шемякина (1959, 1962), С. С. Григоряна (1959-1967) и Родионова (1962) разрабатывались модели деформирования и разрушения горных пород в окрестности заряда. В 60-е гг. в CCCP на основе модели идеальной несжимаемой жидкости Власов и С. А. Смирнов построили (1962) расчётную схему дробления горных пород взрывом сосредоточенных и удлинённых зарядов, позволяющую определить границы и объём зоны дробления, характер распределения крупности дробления, вероятностный гранулометрический состав раздробленного материала, оценить продолжительность процесса дробления. Было использовано введённое Власовым представление о критической скорости разрушения, согласно которому размер образующихся при взрыве кусков породы таков, что разность скоростей двух соседних кусков равна некоторой критической величине, постоянной для каждого материала. Эти расчёты позволили получить описание общего характера дробления породы при взрыве, что важно для горнодобывающей промышленности. Впоследствии основанное на этой схеме направление теоретических исследований получило значительное развитие в трудах Н. Б. Ильинского и его коллег. Большой вклад в развитие методологии исследований в области физики взрыва, разработку и использование различных физических моделей действия взрыва в среде внесли Л. Д. Кларк и С. С. Салнья (1964, США), изучившие механизм разрушения горных пород в зависимости от скорости детонации; И. Хок (1965, США), исследовавший действие взрыва и ударных волн в различных горных породах; Ю. Слободзиньский (ПНР, 1966), выполнивший исследования по оптимизации параметров взрывных работ на карьерах.

В 60-е гг. развивается и совершенствуется предложенный в CCCP К. А. Берлиным в 1934 способ короткозамедленного взрывания, позволяющий регулировать процесс дробления пород. В разработку этого метода (рациональный выбор пространственного расположения и схем расстановки и инициирования зарядов, расчёт времени замедления) наибольший вклад внесли также советские учёные М. Р. Друкованый, Ф. И. Кучерявый, Е. Г. Баранов (1962), Н. Г. Петров, Э. И. Ефремов, В. М. Комир (1964) и позднее В. Н. Мосинец и Б. Н. Кутузов. В 1960 Лаврентьев, В. М. Кузнецов и Е. Н. Шер поставили задачу о направленном выбросе грунта взрывом и дали её изящное решение как некоторой обратной задачи гидродинамики. Это решение нашло экспериментальное подтверждение для мягких грунтов. На его основе были предложены способы массовых взрывов на выброс при помощи системы удлинённых зарядов, расположенных соответствующим образом в подземных выработках. При использовании камер увеличенного объёма для повышения эффективности действия взрыва было признано целесообразным заполнять их водой. В 1963 Покровский, И. С. Фёдоров и М. М. Докучаев предложили осуществлять направленный выброс путём создания дополнительных свободных поверхностей, полостей или воронок в заданной стороне выброса. Лаврентьев, Шер и Кузнецов (1964) установили, что для этой цели можно использовать также неравномерное распределение заряда взрывчатых веществ по глубине скважин (толщина слоя взрывчатых веществ должна линейно возрастать с глубиной). Советский учёный А. А. Черниговский (1976) разработал вариант этого способа на основе применения специальной системы плоских и клиновидных зарядов. Наиболее мощный направленный взрыв на выброс был проведён в Медео в 1966 (масса взрывчатых веществ 5294 т), когда в результате взрыва была образована противоселевая плотина. При этом за несколько секунд до основного взрыва (массой около 3700 т) были осуществлены взрывы 4 вспомогательных зарядов (общая масса около 1600 т), создавшие искусственную вспомогательную свободную поверхность, обеспечивающую направленный выброс породы. В 1962-65 в работах советский учёных Э. И. Андрианкина, В. П. Корявова, О.-Х. М. Алиева, Григоряна, Родионова, А. Б. Багдасаряна при решении сферически симметричной задачи о взрыве в хрупком теле было введено представление о волне разрушения, разделяющей два возможных состояния среды (разрушенное и неразрушенное).

Экспериментальные исследования процесса разрушения в ближней зоне камуфлетного взрыва выполнены Григоряном, В. Д. Алексеенко, А. Ф. Новгородовым, Г. В. Рыковым (1960, 1963), В. В. Адушкиным и А. П. Сухотиным (1961), М. В. Гоголевым и В. Г. Мыркиным (1963), А. Н. Ханукаевым, В. А. Боровиковым (1963).

Развитие представлений о механизме разрушения горных пород взрывом в 60-70-е гг. связано с разработкой новых способов и средств регистрации процессов разрушения, параметров полей напряжений и скорости развития трещин в массиве. Проблема затухания ударных волн в мягких водонасыщенных грунтах была исследована советским учёным Г. М. Ляховым (1961), сейсмических волн — В. Н. Николаевским (1962). Использовалось представление о грунте как трехкомпонентной среде: твёрдом теле, поры которого заполнены жидкостью и (или) газом. В работах Григоряна (1956-67) сформулированы механические и термодинамические гипотезы, отражающие специфические свойства грунтов и горных пород, и на этой основе построены модели для мягких грунтов и твёрдых хрупко разрушающихся горных пород, описывающие процессы деформирования, разрушения и движения рассматриваемых сред при произвольных внешних воздействиях. С использованием этих моделей Григоряном и другими учёными решён ряд задач о действии взрыва в грунтах и горных породах. В частности, им были даны решения задач о действии взрыва сосредоточенного заряда в безграничных массивах мягкого грунта и скальной породы, а также заряда на поверхности этих сред. Получены количественные данные об изменении параметров взрывных волн с расстоянием (максимальных напряжений, скоростей, остаточных и полных деформаций, смещений, характерных времён действия волны и т.д.), о динамике расширения полости и границ областей разрушений и пластических деформаций, о характере разрушений в этих областях. Развёрнуты более глубокие исследования процессов развития трещин в горных породах под действием взрыва (США — Х. К. Каттер и С. Фэрхёрст, 1970, Д. Р. Грин, 1971). В 1965-66 Л. И. Седовым и Садовским выведен основной закон подобия при взрыве, что позволило сравнивать взрывы различной природы (химические, ядерные, вулканические и др.). Покровским и Фёдоровым в 1969 на основе законов энергетического, кинематического и динамического подобия различных взрывов предложены поправки к формуле Борескова для расчёта величины особо крупных зарядов.

В конце 60-х — начале 70-х гг. на основе исследования процессов формирования, распространения, отражения и преломления волн напряжений в горных породах созданы различные методы управления энергией взрыва путём изменения порядка инициирования и конструкции зарядов (У. Б. Мори, Канада; Р. Шоу и Г. Г. Райтью, 1969, Великобритания; Ю. Броханек, 1969, ЧССР). Большой вклад в эту область внесли также Т. С. Атчисон (1968, США), выделивший основные факторы, определяющие процесс разрушения горных пород взрывом, и разработавший физические основы методов разрушения массивов горных пород, учитывающие конструкцию зарядов, наличие и количество свободных поверхностей, и А. Н. Браун (1968, ЮАР), создавший известный метод "postsplitting" — т.н. гладкостенного или контурного взрывания. Проводились углублённые исследования сейсмического действия взрыва, применительно к взрывам химических взрывчатых веществ в трудах Б. Дж. Гринленда и Дж. Д. Ноулса (1970, США), к ядерным взрывам — Д. Дж. Корбишли (1970, США).

В последующие годы Т. Р. Бутковичем (1971, США) оценено влияние содержащейся в горных породах воды на эффекты подземных ядерных взрывов, Р. А. Мюллером и Дж. Р. Мёрфи (1971, США) изучены сейсмические характеристики подземных ядерных взрывов, Ф. Хольцером (1971, США) исследованы эффекты движения грунта при ядерных взрывах, возникающие при этом повреждения зданий и сооружений и разработана методика прогнозирования таких повреждений. В CCCP одна из первых работ по защите сооружений от сейсмического действия взрыва выполнена Лаврентьевым, Кузнецовым и Шером (1962), предложивших использовать защитные экраны из пузырьков воздуха в воде.

Путём обобщения теоретических исследований создаются новые методы и средства взрывных работ, а также внедряются новые грубодисперсные взрывчатые вещества. Наиболее значительные исследования в этот период за рубежом выполнены американским учёным М. А. Куком и шведским исследователем Р. Густафссоном, книга которого по технике взрывных работ (1973) получила международное признание. В CCCP в эти годы получены количественные закономерности о распространении волн напряжений в горных породах, учитывающие их зависимости от акустических свойств горных пород (Ханукаев, Боровиков, 1962, 1974), определена связь времени детонации заряда со временем протекания волновых процессов в среде (Баранов, 1971), изучены различные формы проявления действия взрыва в зависимости от прочности среды, её дефектности, энергии взрывчатых веществ и формы заряда (Родионов, 1968, 1971). Работы, отмечающие существенную роль газообразных продуктов в процессе разрушения горных пород появились значительно позже, чем описывающие волновое действие. Одна из первых работ о расклинивающем действии газообразных продуктов взрыва принадлежит Демидюку (1960). Большое значение продуктам детонации, их расклинивающему действию отводят шведские учёные Лангефорс и Кильстрем (1968), К. Юхансон и П. Персон (1973), советский учёный Комир (1972) и др.

Дальнейшим шагом в изучении механизма разрушения горных пород взрывом явились исследования Комира и Ефремова (1978, 1984, 1987), позволившие экспериментально оценить долю волн напряжений и газообразных продуктов взрыва в общей работе взрывного дробления. Выявлено влияние условий нагружения и деформации на поведение хрупких, квазихрупких, квазипластичных, пластичных и вязкопластичных горных пород, разработаны методы прогнозирования количественных и качественных факторов их разрушения, сформулирован общий энергетический закон дробления горных пород взрывом (Мосинец, 1976).

В конце 70-х — 80-е гг. И. Ф. Медведевым, А. Б. Абрамовым, А. П. Нефёдовым (1975), С. А. Ловлей (1982), Н. Г. Григоряном (1985) выполнены исследования по использованию взрывных кумулятивных струй металла для перфорации обсадных труб при добыче нефти и газа и дроблении негабарита. В 80-е гг. на основе накопленных экспериментальных данных при направленных взрывах на выброс Ромашовым получены более точные формулы для расчёта зарядов крупных подземных взрывов, учитывающие влияние силы тяжести.

В CCCP исследования по физике взрыва проводятся в ИФЗ Академии Наук CCCP, ИПКОНе Академии Наук CCCP, Институте гидродинамики и ИГД CO Академии Наук CCCP, Институте геотехнической механики Академии Наук УССР, Институте физики и механики горных пород Академии Наук Киргизской CCP, отраслевых НИИ, а также в университетах и горных вузах. Проблемы физики взрыва освещаются в специальном журнале "Физика горения и взрыва" (издаётся CO Академии Наук CCCP с 1965, 6 раз в год), а также в периодически издаваемых (с 1932) Центральным правлением HTO "Горное" сборниках "Взрывное дело". По проблемам физики взрыва с 50-х гг. систематически проводятся национальные и международные симпозиумы и конференции.