Исследование процесса динамического нагружения природных материалов. Часть 1. Натурные эксперименты по подрыву известняка

УДК 539.3 М. Ю. Орлов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЧАСТЬ 1. НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ПОДРЫВУ ИЗВЕСТНЯКА

Проведены натурные эксперименты по подрыву природного известняка разными взрывчатыми веществами. Исследовано состояние объекта исследований после взрыва и построены его профили.

Ключевые слова: взрыв, продукты детонации, взрывчатое вещество, известняк, натурный эксперимент, кратер взрыва, осколки.

Введение

В настоящее время актуальными являются поисковые научные исследования по динамическому нагружению природных материалов. В нашей стране огромное количество полезных ископаемых, большинство из которых используются в различных сферах жизнедеятельности человека. Многие месторождения находятся в районах вечной мерзлоты на Крайнем Севере, а доступ к залежам углеводородов не всегда возможен из-за осколков горных пород на различных глубинах.

Проблема изучения основных механизмов и закономерностей процессов динамического разрушения материалов является фундаментальной проблемой механики деформируемого твёрдого тела (МДТТ). Решение данной проблемы требует привлечения современных средств математического моделирования и экспериментальных методов исследования быстропротекающих процессов, сопутствующих динамическому нагружению.

Работа посвящена комплексным теоретико-экспериментальным исследованиям процесса динамического нагружения известняка. Исследовательская работа проведена в два этапа. На первом этапе были полномасштабные натурные эксперименты по подрыву объекта исследования штатным отечественным взрывчатыми веществами (ВВ). На втором этапе осуществлены численные исследования, предметом исследования кото-

Орлов Максим Юрьевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории № 21 (Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск); e-mail: orloff_m@mail.ru.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания № 2014/223 (код проекта 1567).

© Орлов М. Ю., 2016

61

рых являлось напряжённо-деформированное состояние известняка с учётом эволюции деформационных картин.

В НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета более четверти века ведутся поисковые научные исследовательские работы, объектами исследования которых являются конструкционные, природные, технологические и другие материалы. Разработана физико-математическая модель деформирования и разрушения структурно-неоднородных материалов при ударных и взрывных нагрузках, создан численный 20 метод расчёта напряжённо-деформированного состояния с учётом эволюции деформационных картин и областей разрушения. Разработан многофункциональный пользовательский программный комплекс для решения современных динамических многоконтактных задач механики деформируемого твёрдого тела. Программный комплекс состоит из программы-просмотрщика и программы-решателя. Последней модификацией является добавление в расчётную часть метода алгоритма расчёта контактных и свободных поверхностей, позволяющим более точно описывать контактную поверхность между продуктами детонациями (ПД) и нагружаемыми материалами. Получены оригинальные научные данные (теоретические и экспериментальные) о поведении природных материалов при различных начальных условиях. Решён ряд новых прикладных задач [1].

На базе лаборатории 21 по инициативе автора организована мобильная лаборатория «Взрывное нагружение природных материалов». Основная цель заключается в экспресс-анализе поведения природных материалов при взрыве. Мобильная лаборатория является своеобразным аналогом возобновлённой американской исследовательской программой «БскеБхе», где объектом исследования выступал лёд. Работа мобильной лаборатории заключается в проведении натурных экспериментов по взрывному нагружению природных материалов для детального исследования. Разрабатывается одноимённая реляционная база данных, которая будет интегрирована в многофункциональный пользовательский программный комплекс. Постоянными партнерами являются ОАО «КузбассСпецВзрыв» и МЧС РФ [2].

Руководящей идеей мобильной лаборатории является углубление знаний о поведении природных материалов при динамических нагрузках. Другими словами, разрабатывается оригинальный инструмент исследований, который наряду с численным моделированием позволяет выявлять некоторые механизмы процесса разрушения. Наличие данной лаборатории расширяет исследовательские возможности коллектива. Результатами последних десяти экспедиций были: конкретные размеры диаметров и глубин взрывных майн и кратеров, диаметр разлёта осколков от эпицентра взрыва, температура объектов исследования. Зафиксировано состояние кромки кратеров с различных ракурсов и определена его форма. Безусловно, этого недостаточно для детального изучения процесса

62

разрушения материалов при взрыве, но достаточно для проведения некоторых качественных тестов [3].

Экспериментальное исследование процесса взрывного нагружения известняка

Постановка натурного эксперимента. Ниже описана схема натурного эксперимента по подрыву известняка, которая являлась общей во всех трёх случаях. Эксперимент реализован на площади более 1000 м2, поверхность которой была практически гладкой. Объект исследования относится к крепким горным породам, поэтому бурение скважины осуществлено при помощи погружного пневмоударника. Ранние геологоразведочные работы установили, что на глубине 10 м под известняком находится вода в жидкой фазе.

Запланированные исследования проходили в зимний, весенний и осенний период. Проведённые исследования являются предвестником численных исследований, целью которых является определение подходящей массы ВВ и глубины её закладки для наиболее эффективного разрушения известняка. Каждая проведённая серия экспериментов отличалась типом ВВ и глубиной его закладки.

В качестве ВВ использовались гранулит ПС-2, Эмуласт АС-ФП и ПЖВ-2 (Россия). Все ВВ были водостойкими. В таблице 1 представлены некоторые характеристики данных веществ в объёме, необходимом для дальнейшего численного моделирования [4].

Таблица 1

Характеристики взрывчатых веществ

Тип взрывчатки Плотность, г/см3 Скорость детонации, м/с Тротиловый эквивалент*

Эмуласт АС-ФП 1,40 4500 0,75

ПЖВ-2 1,20 4000 1,03

Гранулит ПС-2 0,95 2600 1,08

*Тротиловый эквивалент рассчитан по теплоте взрыва.

На экспериментальной площадке подготавливались скважины различной глубины, но одинакового диаметра (11 см). Предметом исследования являлось состояние известняка после взрыва, а именно: диаметр и глубина кратера взрыва, разлёт осколков под действием продуктов детонации (ПД) и прочее. Ниже представлены результаты экспериментов с их детальным описанием в хронологическом порядке.

Эксперимент 1. Подрыв известняка взрывной смесью. Вначале реализован эксперимент по подрыву известняка ВВ со следующими компонентами: гранулит ПС-2, Эмуласт АС-ФП и ПЖВ-20. Такое ВВ было названо взрывной смесью. Масса ВВ варьировалась в зависимости от наличия воды на дне скважины. Масса Эмуласт АС-ФП варьировалась от 8 до 12 кг, а масса ПЖВ-20 — от 0,3 до 0,6 кг. При этом масса Гранулит

63

ПС-2 (смесь селитры и минерального масла) оставалась постоянной и составляла 50 кг. В скважине компоненты располагались снизу вверх. Экспериментальным работам предшествовала относительно теплая погода, а в скважинах присутствовала вода из-за таяния снега. Глубина скважины — 560 см.

На рисунке 1 проиллюстрированы фотографии эксперимента и воспроизведён профиль кратера взрыва. Рисунок 1а иллюстрирует компоненты взрывной смеси до помещения внутрь скважины. Отметим, что после помещения ВВ пространство скважины было полностью им заполнено. При этом детонация ВВ осуществлена сверху вниз при помощи детонирующего шнура ДШЭ 12.

Состояние экспериментальной площадки после взрыва изображено на рисунке 1б. Фото было сделано с возвышенности (не более 200 см). Видно, что площадка почти полностью покрыта пылью и мелкими осколками. Однако при внимательном осмотре обнаружены осколки больших размеров (от 50 см и более). Качественная оценка высоты разлёта осколков составила до 40 м и более.

На рисунке 1б можно разглядеть очертания взрывного кратера, сформировавшегося между 5 и 6 скважинами. При детальном осмотре места эксперимента выявлено несколько кусков известняковой породы размерами около 150 см. В процессе взрыва незначительная часть известняка превратилась в «песок», но сохранила впоследствии свой первоначальный цвет.

На рисунке 1в изображён кратер взрыва. Кратер был построен на основе детального изучения авторского видео, сделанного после взрыва. В разрезе кратер имел «стаканообразную» форму. На дне кратера находились осколки различных размеров (схематически — круги и треугольники). Несколько выше находилась мелкодисперсная пыль с небольшими осколками известняка (схематически — чёрные квадраты, расположенные в шахматном порядке). Точную глубину измерить не удалось. Однако есть все основания полагать, что дно взрывного кратера находится на уровне приблизительно 4 м.

После предпринята попытка измерения (качественно) диаметра взрывных кратеров. Установлено, что он изменялся от 120 до 170 см в зависимости от массы взрывчатки. Результаты измерений суммированы в таблице 2.

Эксперимент 2. Подрыв известняка аммонитом. Излагаемые ниже результаты получены после осенней экспедиции мобильной лаборатории. В данном случае экспериментальная площадка была значительно меньше, а рядом находился обрыв. Расстояние от эпицентра взрыва до обрыва было 10 м, т. е. его влияние на формирование кратера взрыва в известняке было минимальным. Глубина скважины была 600 см. Температура воздуха около нуля. В скважине присутствовала вода (уровень не более 100 см).

64

В)

Рис. 1. Результаты подрыва известняка взрывной смесью:

а) получение взрывной смеси и помещение в скважину; б) Орлов М. Ю. исследует экспериментальную площадку после взрыва; в) профиль кратера взрыва

65

ВВ было однородным (аммонит марки ПЖВ-20). Использование аммонита в качестве ВВ является основным отличием от предыдущего эксперимента (т. е. ВВ было однородным). Масса составила 42 кг (34 кг ТНТ эквивалент), при этом скважина была заполнена полностью. Количество зарядов — 140. В скважине присутствовала вода.

Рисунок 2 иллюстрирует результаты эксперимента. Фотография на рисунке 2б сделана через 5 минут после подрыва ВВ. За спиной ассистента был обнаружен осколок известняка около 100 см в диаметре. На рисунке 2в изображено сечение кратера взрыва, построенного на основе детального анализа фотографий и видео эксперимента.

Сравнивая кратеры на рисунках 1 и 2, были обнаружены следующие отличия. Во-первых, в последнем случае замечено намного больше осколков размером более 50 см. Во-вторых, высота горки вблизи кромки кратера была около 100 см. В-третьих, слой мелкодисперсной пыли был расположен под слоем осколков, которые видны на фото невооруженным взглядом. В-четвертых, по дну кратера можно было без труда передвигаться человеку.

Форма картера в данном случае была «чашеобразной», а его глубина равнялась ~ 2,3 м. Необходимо отметить, что данная величина получена прямыми измерениями без извлечения остатков известняка со дна кратера. Надо полагать, что реальная глубина будет больше. Внутри кратера находились осколки разного диаметра и глина. Радиус разлёта осколков составил более 50 м. Диаметр кратера был ~ 4,5 м.

Эксперимент 3. Подрыв известняка эмульсионным ВВ. В завершение были проведены натурные эксперименты по подрыву известняка эмульсионным ВВ. Как и в предыдущем случае, взрывчатка была однородная. В данном эксперименте глубина скважины была минимальной — 200 см. Количество скважин — 6. В качестве ВВ использовался Эмуласт АС-ФП. Общая масса 16 кг, что в тротиловом эквиваленте составило 13,4 кг. Воды внутри скважины не обнаружено.

На рисунке 3 представлены результаты последнего натурного эксперимента. На рисунке 3а показан состав ВВ из четырёх штатных зарядов. Нетрудно заметить, что конструкция ВВ после погружения в скважину полностью заполняет пространство. После взрыва были обнаружены осколки различных размеров, как правило, не более 50 см в диаметре.

Качественная оценка радиуса разлёта осколков составила около 10 м. Причём следует отметить, что на такое расстояние смогли долетать только небольшие кусочки извести. Некоторые закономерности, наблюдаемые в данном эксперименте, были отмечены ранее.

Профиль кратера также изображен на рисунке 3в. В данном случае он имел «У-образную» форму. Внутри замечены осколки различных размеров, мелкодисперсная пыль и остатки ПД. По мере заглубления кратера имело место его сужение.

66

Рис. 2. Результаты подрыва известняка аммонитом:

а) процесс закладки аммонита в скважину; б) контрольный осмотр после взрыва; в) профиль кратера взрыва

67

в)

Рис. 3. Результаты подрыва известняка эмульсионным ВВ:

а) конструкция ВВ перед помещением внутрь; б) скважина 5 до и после взрыва; в) профиль кратера взрыва

В качестве основного результата следует отметить то, что после подрыва в известняке образуется кратер диаметром 1,5 —1,7 м. Глубина данного кратера без извлечения осколков составила 1,2 м (табл. 2).

68

Таблица 2

Результаты экспериментов

Номер Глубина Уровень Масса Диаметр Глубина

скважины скважины, см воды, см и состав ВВ, кг кратера, см кратера, см

Эксперимент 1. ВВ — Эмуласт АС ФП + Гранулит ПС-2 + ПЖВ-20

1 560 250 50 + 0.3 + 8 120 -

2 560 280 50 + 0.6 + 12 170 -

3 560 280 50 + 0.6 + 12 160 -

4 560 320 50 + 0.6 + 16 - -

5 560 250 50 + 0.3 + 8 130 -

6 560 250 50 + 0.3 + 8 130 -

7 560 250 50 + 0.3 + 8 140 -

Эксперимент 2. ВВ — Аммонит марки ПЖВ-20

1 600 100 42 450 230

Эксперимент 3. ВВ — Эмуласт АС ФП-90

1 200 0 16 150 -

2 200 0 16 160 -

3 200 0 16 155 -

4 200 0 16 170 -

5 200 0 16 165 -

6 200 0 16 170 -

Обсуждение результатов и заключение. Результаты экспериментов суммированы в таблице 2. Из таблицы видно, что основной проблемой являлось установление фактической глубины кратера, так как после взрыва большая часть осколков опустилась назад под действием сил тяжести. При подрыве взрывной смеси последнее было сделать практически невозможно. При подрыве однородного ВВ типа аммонит форма кратера была видна невооруженным глазом. В данном случае кромка кратера была развитой. При подрыве эмульсионного однородного ВВ форму кратера также можно было определить. Упомянутое сужение кратера в отдельных случаях можно объяснить невзорвавшимся зарядом ВВ на дне скважины. Поэтому данный факт требует тщательной проверки. В дальнейшем планируется использовать ВВ в одной оболочке, физико-механические свойства которой близки к полиэтилену. Предварительная конструкция такой оболочки уже разработана. Морфология разрушения известняка также требует более тщательного изучения, и, прежде всего, необходимо уменьшить массу ВВ. Предварительные расчёты по взрывному нагружению гранита были выполнены в [5].

В работе проведены экспериментальные исследования поведения известняка при взрывном нагружении. Установлено, что после подрыва известняка различными ВВ было обнаружено много общего. В частности, во всех трёх вариантах обнаружены осколки известняка различных размеров, пыль и остатки ПД. Установлено, что после подрыва известняка были выявлены как общие закономерности, так и отличия в морфологии разрушения известняка. Под действием продуктов детонации в районе экспериментальной площадки формировалось облако осколков разного диа-

69

метра. Визуально установлено наибольшее количество небольших фрагментов (< 15 см) обнаружено после подрыва взрывной смеси. После взрыва ВВ второго типа зафиксировано наибольшее количество больших фрагментов (> 50 см). После подрыва ВВ третьего типа количество больших и мелких осколков было примерно одинаковым. Выявлено, что при подрыве ВВ первого типа в сечении кратер имел «стаканообразную», а в остальных — «чашеобразную» и «V-образную» формы.

Автор выражает благодарность главному инженеру ОАО «КузбассСпец-Взрыв» к. т. н. А. Н. Садохину, а также А. Ю. Орлову, Г. Н. Богомолову, В. В. Голубятникову и Б. С. Гусеву.

Список литературы

1. Глазырин В. П., Орлов Ю. Н. Анализ динамики пробития преград компактными ударниками / / Международный научно-исследовательский журнал. № 11-3. 2015. С. 12 — 15.

2. Орлов Ю. Н., Глазырин В. П., Орлов М. Ю. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010610911 от 28.01.2010 «Удар-ОС1. Ударно-волновое нагружение конструкций. Осесимметричная задача».

3. Orlov M. Yu., Orlova Yu. N., Tolkachev V. F. Mobile laboratory «Explosive destruction of natural materials»: Investigation of the behavior of ice and limestone under explosive loading Journal of Physics: Conference, Series 653(2015) 012038.

4. Орлов М. Ю. Экспериментальные исследования процессов взрывного нагру-жения природного известняка / / Математическое и экспериментальное моделирование физических процессов: сборник материалов Международной заочной научно-практической конференции, Биробиджан, 15 декабря 2015 г. В двух частях. Ч. 1. / под науч. ред. В. Л. Земляка; ПГУ им. Шолом-Алейхема. Биробиджан: ИЦ ПГУ им. Шолом-Алейхема, 2016. С. 144 — 149.

5. Орлов А. Ю., Орлов Ю. Н. Численный анализ взрывного нагружения металлических конструкций / /Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: сборник материалов конференции. Томск: Изд-во ТГУ, 2008. С. 275—277.

•Jc -Jc -Jc

Orlov Maksim Yu.

STUDY OF DYNAMIC LOAD OF NATURAL MATERIALS. PART 1 FULL-SCALE TESTS OF EXPLOSIVE LIMESTONE

Full scale tests to blast up the natural limestone under different explosives were conducted. The state of the object of research after the explosion was investigated. Three profiles of the explosive craters were built.

Keywords: Blast, detonation products, explosives, limestone, full-scale experiment, explosion crater, debris.

References

1. Glazyrin V. A., OrlovYu. N. Analysis of the dynamics of penetration of compact strikers barriers [Analiz dinamiki probitiya pregrad kompaktnymi udarnikami],

70

Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal, vol. 11-3, 2015, pp. 12 — 15.

2. Orlov Y. N., Glazyrin V. P., OrlovM. Yu. Certificate of state registration of the computer № 2010610911 from 28.01.2010 «Blow-OC1. Shock-wave loading designs. Axisymmetric problem».

3. OrlovM. Yu., OrlovaYu. N., Tolkachev V. F. Mobile laboratory «Explosive destruction of natural materials'»: Investigation of the behavior of ice and limestone under explosive loading Journal of Physics: Conference, Series 653(2015) 012038.

4. OrlovM. Yu. Experimental study of the processes of explosive loading of natural limestone [Eksperimental'nye issledovanie protsessov vzryvnogo nagruzheniya prirodnogo izvestnyaka], Matematicheskoe i eksperimental'noe modelirovanie fizicheskikh protsessov: sbornik materialov Mezhdunarodnoy zaochnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (Mathematical and experimental modeling of physical processes — 2015: Proceedings of the international conference), in two parts, part 1, Birobidzhan, PGU im. Sholom-Alehem Publ., 2016, pp. 144 — 149.

5. OrlovA. Yu., OrlovYu. N. Numerical analysis of explosive loading of metal structures [Chislennyy analiz vzryvnogo nagruzheniya metallicheskikh konstruktsiy], Fundamental'nye i prikladnye problemy sovremennoy mekhaniki: sbornik materialov konferentsii (Fundamental and Applied Problems of the Mechanics: The Conference

Proceeding), Tomsk, Publishing House of Tomsk State University, 2008, pp 275 — 277.

* * *

71