Ядерные испытания Атмосферные ядерные взрывы ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЯВ ВЗРЫВ НА НЕВАДСКОМ ПОЛИГОНЕ ВЗРЫВ НА СЕМИПАЛАТИНСКОМ ПОЛИГОНЕ ПОЛИГОН «НОВАЯ ЗЕМЛЯ»

полигон в Аламогордо, штат Нью-Мексико. Это было испытание первой в мире атомной бомбы. На участке диаметром в 1.6 километра в небо взметнулся гигантский фиолетово-зелено-оранжевый огненный шар. Земля содрогнулась от взрыва, к небу поднялся белый столб дыма и стал постепенно расширяться, принимая на высоте около 11 километров устрашающую форму гриба. Первый ядерный взрыв поразил военных и научных.

Ядерные испытания в СССР Оглавление


ГЛАВА 2

ПОДЗЕМНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ:
ТЕХНОЛОГИИ, ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ,
МЕРЫ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ


2.4   ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОДЗЕМНОГО ЯВ НА МАССИВ


Ослабление ударной волны в процессе движения приводит к тому, что при взрывах В первоначально твердых веществах начинают проявляться тензорные и прочностные свойства. Так как для реальных веществ прочностные характеристики, например, напряжения дробления δдр или разрыва δтр, горных пород значительно меньше величины ρ0С02, которая близка к значению «теоретической» прочности, то соответствующие линейные размеры областей дробления, трещиноватости, пластичности и пр. rдр, тр = (E0/ δдр.,тр. и пр.)1/3 значительно больше rg . Связанные с ними процессы не учитываются на газодинамической стадии явления.

Расчетно-теоретическое описание поздней стадии взрыва существенно усложняется из-за тензорного характера реакции среды на нагружение. Источником дополнительных трудностей является плохая изученность определяющих соотношений — уравнений состояния реальных сред. Обычно используются упрощенные реологические модели веществ, содержащие ряд плохо определенных параметров. Применимость таких моделей для рассматриваемого класса явлений, как правило, требует дополнительных обоснований. Ввиду больших линейных масштабов разрушений при ядерных взрывах остается открытым вопрос о перенесении свойств, установленных при лабораторном исследовании образцов, на свойства горного массива в условиях залегания. Вместе с тем, в настоящее время созданы соответствующие модели сред и математические программы, которые позволяют производить инженерные расчеты поздней стадии развития ядерного взрыва. Ведутся также работы по совершенствованию моделей реальных сред на базе более строгих микроскопических дислокационных представлений.

Отметим еще одно свойство твердых сред, которое часто проявляется при взрывах – полиморфные фазовые превращения. Они характерны для многих горных пород, в которых проводятся испытания. В ряде случаев, особенно в динамических процессах, их протеканий имеет существенно неравновесный характер. Полной теории таких процессов в настоящее время нет. Помимо теоретического значения, результаты рассматриваемых исследований позволили расширить область применимости расчетных зависимостей для взрывов в кварците, который иногда встречается на северном полигоне. При рассмотрении взрывов в средах, которых совершаются полиморфные превращения, результаты применимы лишь до расстояний, начиная с которых проявление превращений становится существенным.

Поздняя стадия взрыва в жидкостях имеет более простой вид: передача энергии взрыва окружающей среде совершается с помощью акустической волны, распространяющейся с почти постоянной скоростью.



Упругопластическая стадия взрыва

При исследовании упругопластической стадии подземного ядерного взрыва принимается следующая постановка задачи.

В начальный момент в небольшом объеме выделяется большое количество энергии, что приводит к испарению породы. Масса (М) испаренной породы на 1 кт заряда мощностью W может быть определена по экспериментальным и расчетным данным. Так, для гранита М ~ 70 т/кт. Радиус испаренной зоны и начальное давление даются соотношениями:

Следующая фаза развития мощного камуфлетного взрыва определяется гидродинамическим течением расплавленной породы. Рассматривая расплавленную породу, как несжимаемую жидкость, можно получить напряжение на границе расплава. Фаза гидродинамического движения кончается, когда напряжения становятся равными теоретической прочности монокристалла Y≈0,1E. С этого момента начинается фаза течения дробленой дилатирующей породы.

Система уравнений, описывающих поведение грунтовой среды за пределами гидродинамической области, имеет вид:




где τ - девиатор тензора напряжений;
eij - девиатор тензора скоростей деформации;
g - ускорение свободного падения.

Система уравнений (4) замыкается соотношениями, определяющими связь между напряжениями и деформациями грунта. Конкретный вид этих соотношений зависит от используемой модели грунтовой среды.

Во многих практически важных случаях необходимо учитывать силу тяжести.

Начальное состояние с учетом поля силы тяжести определяется следующим образом. По упругим соотношениям для одноосно деформированного состояния находится девиатор напряжения τ и давление Р



где δлит — литостатическое давление;


где
K — модуль объемного сжатия;
G — модуль сдвига;
Pa — атмосферное давление;
ρ(z) — распределение плотности грунта.


Модели грунтовых сред

Для описания поведения грунта под действием взрывных нагрузок за пределами гидродинамической зоны используются различные модели грунтов. По физико-механическим свойствам и особенностям деформирования выделяют три основных типа грунтовых сред: скальные, полускальные и мягкие. Под скальными грунтами понимается совокупность магматических и метаморфических горных пород (гранитоидов, диоритов, габбро, диабазов) с общей пористостью, не превышающей 10%. Другим дополнительным критерием скальных пород является ограничение на скорость распространения продольных волн: Cl > 3,5...4 км/с. Полускальные грунты характеризуются высокой общей пористостью в диапазоне от 10% до 50% с сохранением связности скелета, обладающего значительной прочностью. К таким грунтам могут быть отнесены пористые туфы, песчаники, известняки и пр. Ограничение на скорость распространения продольных волн для полускальных грунтов имеет вид: (1,3...1,5) км/с < Сl < (3,5...4) км/с.

Оставшуюся часть грунтового многообразия можно отнести к типу мягких грунтов, которые представлены продуктами выветривания горных пород: глинами, суглинками, лессами и песками. Мягкие грунты могут иметь такую же общую пористость и влажность, что и полускальные, но обладают существенно меньшей прочностью и более низкими значениями скорости распространения продольных волн: Сl < 1,8...2 км/с.

Наиболее полной моделью деформирования скального грунта, используемой при численном моделировании воздействия взрыва на грунт, является обобщенная квазиупругопластическая модель. В этой модели учитывается релаксация сдвиговых напряжений и эффект дилатансии в зоне сдвигового разрушения и релаксационный механизм деформирования скальных грунтов за пределами зоны разрушения. На плоскости (P — ε) задаются диаграммы статического (St) и динамического (D) сжатия и кривая предельного разрыхления ε(P).

В качестве критерия сдвигового разрушения используется обобщенное условие Мизеса:


При этом вводятся две предельные зависимости сдвиговой прочности от давления: для неразрушенного материала Y1(P) и для разрушенного Y2(P).

Использование в расчетах этой модели позволяет получить согласующиеся с опытными данными амплитуды массовой скорости, напряжения и смещений грунта, времена нарастания до максимума, а также размеры разрушения сколом, размеры полости (глубину вороню V, выброса) и суммарный объем пустот.

При расчетах механического действия взрыва на полускальные и мягкие грунты широко используется упругопластическая модель, учитывающая нелинейные механизмы сдвигового и объемного деформирования грунта. В этой модели модули объемного сжатия ED и разгрузки ER зависят от уровня нагрузки, фазового состава грунта (начальных объемных долей воздуха, воды и минерального компонента а1, а2, а3) и связаны со скоростями распространения продольных и поперечных волн в грунте. Уравнения, определяющие поведение девиаторной части тензора напряжений, являются комбинацией закона течения Прандтля-Рейсса и закона Гука для нагрузок, не превышающих предел пластического течения. Предельная величина сдвиговой прочности является функцией давления Y(P).

Сравнение результатов расчета и экспериментов показывает, что для мягких и непрочных полускальных грунтов упругопластическая модель в пределах среднеквадратичных отклонений дает согласованные параметры по амплитудам массовой скорости и смещения грунта.

Удовлетворительное воспроизведение в расчетах не только амплитуды массовых скоростей (напряжений) и максимальных смещений, но и временных характеристик (время нарастания, длительность) позволяет получить упругопластически-релаксационная модель мягкого грунта. В релаксационной модели, в отличие от упругопластической, учитываются «вязкие» эффекты: на диаграмме объемного деформирования задаются две предельные кривые нагружения: динамическая и статическая; мгновенный модуль деформирования на траектории нагружения существенно зависит от скорости нагрузки; величина объемной пластической деформации зависит не только от уровня нагрузки, но и от времени ее действия.

Первоначально фронт разрушения совпадает с фронтом ударной волны, потом он начинает отставать и постепенно теряет скорость до нуля, так что область дробления материала должна была бы иметь четкую границу. Однако вследствие неоднородности горного массива фронт разрушения еще до остановки становится очень неровным, отмечаются единичные ра-жально направленные трещины и разномасштабные локальные зоны разрушения в области преимущественно упругих деформаций.

Размеры зоны дробления и зоны нарушения сплошности горного массива при подземном взрыве оказались трудноизмеряемыми параметрами. Наиболее надежным следует признать косвенный метод определения зоны неупругих деформаций путем восстановления по записям упругой волны размера сферы, излучающей сигнал. Чем больше объем полости, тем больше зона разрушения. Объем, который вытесняется за пределы зоны разрушения, пропорционален поверхности ее внешней границы и нормальному напряжению, которое дейст-шует на внутренней границе упругого пространства, и обратно пропорционален модулю упругих деформаций горных пород массива.

Таким образом, энергия продуктов взрыва при формировании полости главным образом расходуется на преодоление сил внутреннего трения при вытеснении разрушенной горной породы.

Баланс масс, перемещаемых за пределы полости и зоны разрушения, дает надежную основу для оценок различных параметров механического эффекта подземного взрыва: размеров полости, зоны разрушения, энергии излучаемой упругой волны и параметров низкочастотной части спектра, ответственных за амплитуду сейсмических колебаний на больших расстояниях от взрыва.

Обобщение результатов обследования механического эффекта взрывов разной энергии показало, что линейные размеры полостей, радиусы зон дробления и разрушения изменяются пропорционально корню кубическому из энергии взрыва. Для взрывов в штольнях Семипалатинского полигона радиус котловой полости изменялся с изменением механических свойств горных пород в пределах: Rn,м = (8,5-10) q1/3 кт1/3, а радиус зоны интенсивного дробления - в пределах Rдр,м = (20-35) q1/3 кт1/3. Наблюдаемое подобие механического эффекта при взрывах разной энергии также связано с высокой начальной концентрацией энергии в зарядной камере.

Исходя из предложенной схемы формирования полости можно получить следующие формулы для оценки размера полости, зоны неупругих деформаций и времени расширений полости.

Объем котловой полости (4/3πR3n) зависит от энергии взрыва Е, модуля упругости или произведения плотности на квадрат скорости продольных волн (ρCl2), прочности образцов σ* горной породы при испытании на одноосное сжатие:



Отношение радиуса зоны неупругих деформаций (Rр) к радиусу полости (Rn) зависит от отношения модуля упругих деформаций к прочности



Время расширения полости T пропорционально радиусу зоны неупругих деформаций и обратно пропорционально скорости упругих волн:



Во всех приведенных формулах отсутствует размер зарядной камеры, так как при высоких начальных давлениях продуктов ядерного взрыва они передают окружающей среде практически всю энергию (в полости остается 20-30% энергии). Увеличение объема зарядной камеры будет существенно влиять на передаваемую в окружающую среду энергию тогда, когда начальное давление окажется соизмеримым с прочностью горной породы. Уменьшение зоны разрушения ведет к снижению вытесняемого объема горной массы в упругой зоне, а, следовательно и к уменьшению энергии в низкочастотной части спектра упругого сигнала. Сейсмический эффект вследствие этого сильно ослабевает (это явление получило название «декаплинг»).

При проектировании глубоких подземных взрывов к определяющим параметрам, взрывного действия с размерностью напряжения (σ* и ρСl2) следует добавить литостатическое давление, которое противодействует разрушению горной породы.

Распространяющаяся за пределы зоны плавления ударная волна, а затем волна сжатия, создают в массиве систему радиальных трещин. Формируется зона дробления породы, в которой грунт находится в виде кусков размером до 50 см в поперечнике, окруженных трещинами, заполненными породной мелочью или щебенкой. Порода в этой зоне при проходке склонна к обрушению.

Размер зоны дробления определяется выражением: Rдр ~ 2,5 Rn , м.

Продолжающийся процесс распространения волны сжатия вызывает образование зоны макротрещиноватости, представляющей собой плотно прилегающие друг к другу блоки, размеры которых в значительной степени определяются естественной трещиноватостью массива. Породные блоки самозаклинены и склонны лишь к принудительному обрушению при проходке.

Размер зоны макротрещиноватости определяется выражением:



Последующее снижение нагрузок в волне сжатия по пути ее распространения приводит к образованию зоны микротрещиноватости – разрушению микроструктуры породы, не приводящему к нарушению сплошности массива (разрушению подвергается лишь цементирующий материал породы, а зерна минералов не разрушаются). Размер зоны микротрещин определяется выражением: Rтp ~ 5,5 Rn, м.

Волна сжатия, отразившись от дневной поверхности, формирует волну разряжения, взаимодействие которой с отраженной волной стимулирует рост радиальных трещин в сторону дневной поверхности. Одновременно волна разряжения формирует систему трещин, параллельных фронту волны. Таким образом, формируется и развивается зона откола.

В силу продолжающегося действия волны сжатия среда в откольной зоне смещается к свободной поверхности. Вспучивание поверхности способствует возникновению второй системы откольных трещин – от свободной поверхности к заряду, появление которых обусловлено растягивающими напряжениями изгиба.

Таким образом, в результате воздействия волновых полей весь массив горной породы между полостью взрыва и свободной поверхностью подвергается тому или иному разрушению, масштабы которого определяются глубиной заложения, прочностью грунта и мощностью заряда.

Описанная выше динамическая стадия разрушения массива сменяется статической фазой, когда вследствие обрушения среды в полость взрыва и дальнейшего развития откольных процессов (лавин, камнепадов) формируется картина остаточных внешних явлений, сопровождающих камуфлетный взрыв.

Высота столба обрушения определяется множеством причин и прежде всего видом породы и оценивается примерно в (2,5-5)Rn. Столб обрушения имеет форму, близкую к цилиндрической со средним радиусом, равным радиусу полости.

При достижении столба обрушения дневной поверхности образуется так называемая провальная воронка.

Откольные явления при камуфлетном взрыве часто сопровождаются куполообразным подъемом зоны откола в области выхода ЛНС. Определяющим фактором в данном случае является значение массовой скорости грунта поверхности.

Подземные взрывы в условиях горного рельефа, свойственного полигону, вызывают также обрушения отдельных участков склонов. Практически каждый эксперимент сопровождается обрушениями, характер и размеры которых бывают самыми разнообразными. Иногда крушение носит локальный характер и наблюдаются оползневые процессы в районе выхода ЛНС. Более существенные обрушения вызывают движение масс породы вдоль верхних слоев оврагов на склонах. В некоторых случаях происходит обрушение отдельных каменных глыб на значительных по протяженности участках склона. Такие явления принято называть камнепадами.

В отличие от них при ряде мощных подземных взрывов наблюдались обрушения больших масс породы, которые во время движения образовывали каменные лавины объемом от сотен тысяч до нескольких десятков миллионов кубических метров породы. Определяющими факторами обрушения склона являются: геология горного массива, массовая скорость поверхности грунта и углы склона.

Кроме перечисленных остаточных внешних явлений, сопровождающих камуфлетный взрыв, в ряде случаев происходит раскрытие закрытых естественных трещин и тектонических зон за счет сейсмического воздействия ядерного взрыва. Даже визуально наблюдаемые на дневной поверхности зоны разрушений, образующиеся после проведения группового взрыва в штольнях, охватывают значительную площадь. Зоны разрушений характеризуются наличием многочисленных трещин, количество которых уменьшается по мере удаления от эпицентра взрыва.

Глубина распространения трещин по геофизическим данным может достигать 100-150 м от поверхности. В районе эпицентра нередко наблюдаются трещины больших размеров.



Радиационные эффекты подземного ядерного взрыва

При подземном ядерном взрыве источниками радиоактивности являются продукты деления, радионуклиды, активированные нейтронами, радионуклиды, образованные в термоядерных реакциях, непрореагировавшее ядерное горючее.

Состав продуктов деления и изменение его во времени подробно изложены в литературе.

В общем случае в состав наведенных (активированных нейтронами) радионуклидов входят, например: натрий-24; алюминий-28; марганец-54,56; железо-59; кобальт-57,58,60.

Наведенная активность может составлять 20-25% от активности продуктов деления еле первого дня; 1 % - через неделю; 0,1 % - через 1,5 месяца после взрыва.

Экспериментально установлено, что к моменту обрушения полости практически все тугоплавкие радионуклиды (Zr, Мо, Сd, Nd и др.) находятся в линзе расплава. Сюда же входят элементы непрореагировавшего ядерного горючего (U, Рu и трансурановые элементы).

Выход на дневную поверхность (в атмосферу) радионуклидов происходит под действием давления газов, образованных при термическом разложении породы массива.

При подземных взрывах принципиально возможны следующие идеализированные варианты выхода радиоактивных продуктов в атмосферу: только через эпицентральную зону (ЭПЦ), только по штольне и комбинированные — через ЭПЦ и устье штольни.



Физическая картина ядерного взрыва в соляном массиве.
Образование полости и ее эволюция

Картина ядерного взрыва в соляном массиве, приводящего к образованию полости и ее дальнейшая эволюция изучались методами математического моделирования и экспериментально. Существует два механизма, формирующих полость. Соотношение между вкладами этих механизмов в процесс формирования полости зависит от начальных условий и, в первую очередь, от первоначального объема, в котором расположен заряд. Один из механизмов инерционно-кинетический, состоит в том, что в результате взрыва по массиву распространяется расходящаяся ударная волна, которая сообщает скорость прилегающим к заряду слоям массива. Получив скорость, эта часть массива раздвигается, создавая свободное пространство, которое и становится полостью. Другой механизм, подпорно-адиабатический, это просто адиабатическое расширение горячего газа, состоящего из продуктов взрыва, конструкционных материалов заряда, воздуха, находившегося в зарядной камере и паров соли или того грунта, который был испарен в тепловой и ударной волне, идущей по грунту и несущей давление, способное произвести такое испарение. Картина формирования в ее хронологическом развитии представляет собой очередность следующих одна за другой фаз состояния, характеризующих среду и полость.

  1. Фаза распространения тепловой волны. Эта фаза существует при мощных взрывах Она характеризуется тем, что передача энергии от области ее мгновенного выделения в прилегающее пространство идет посредством механизма лучистой теплопроводности. Распространение тепла в начале этой фазы не сопровождается гидродинамическими явлениями. Вещество почти неподвижно. Профиль температуры имеет ступенчатую форму: крутой температурный фронт, за которым температура по радиусу не меняется. При мощности 60 кт эта фаза длится порядка ~ 10-5 сек.
  2. Фаза распространения ударной волны. Отрыв ударной волны от тепловой происходит в момент, когда снижающаяся скорость распространения тепловой волны становится меньше скорости ударной волны, определяемой амплитудой давления. В профиле температур появляется характерная особенность: температурный предшественник тепловой волны, обязанный своим происхождением нагреву вещества в ударной волне, опережающей тепловую Отрыв ударной волны от тепловой происходит для рассматриваемой мощности (60 кт) в момент 3•10-6 сек. Сразу после отрыва зона между тепловой и ударной волной имеет высокую температуру. Дальнейшее распространение тепловой и обгоняющей ее ударной волны приведет к постепенному понижению температуры, увеличению скорости и падению плотности в зоне, охваченной тепловой волной. К моменту 0,3•10-3 сек за тепловым фронтом устанавливается однородная плотность. Таким образом, в центре возникает зона заполнения веществом малой плотности и высокой температуры. Резкое возрастание плотности на периферии этой зоны очерчивает ее границу. Можно сказать, что к этому моменту появились контуры полости внутри которых плотность продолжает падать, а сама полость расширяться.


Таблица 2.12
Таблица смены фаз
СтадияФазаВременной интервал
СекундыЛогарифмы времени
(секунд)
Динамическая стадияРаспространение тепловой волны10-7 - 10-5(-7) - (-5)
Распространение ударной волны10-5 - 10-4(-5) - (-4)
Расширение полости10-4 - 10-1(-4) - (-1)
Обратный ход полости10-1 - 1(-1) - (0)
Квазистатическая стадияОтносительная неподвижность и неизменность полости1 - 10-30 - 3
Интенсивное расплавление стенок полости103 - 1063 - 6
Затвердение расплава106 - 1086 - 8
Выравнивание температуры в массиве108 - 10108 - 10

  1. Фаза расширения полости. В качестве границы полости естественно принять слой расплавленной соли. Внутри этого слоя находятся пары соли, имеющие низкую плотность, которая в ходе расширения полости продолжает понижаться. Пространство внутри слоя расплава, заполненное парами соли, и есть полость. К внешней поверхности расплавленной соли примыкает соль в двухфазном состоянии "твердое тело - жидкость", а за ней находится твердая соль. Двухфазный слой очень тонок, так что вся соль, расположенная за пределами расплава, может быть отнесена к массиву. В первые 5 - 10 мсек, когда полость еще невелика, слой расплава относительно широк, а в дальнейшем по мере расширения он стягивается в узкую пленку, разграничивающую полость и массив. Размер полости в момент максимального расширения, остаточный размер и устойчивость полости зависят от энергии взрыва и упруго-пластических свойств породы, прежде всего от такой характеристики как предел упругости (текучести), Время максимального расширения полости составляет порядка 200 мсек.
  2. Фаза обратного хода полости. После достижения максимального размера полости происходит его сокращение или обратный ход полости. Это происходит в момент, когда приконтурная часть массива, израсходовав полученную в ударной волне кинетическую энергию, останавливается. В момент остановки его кинетическая энергия близка к нулю и полная энергия определяется напряженным состоянием массива. Давление в полости падает. Напряжение в массиве и давление в полости не находятся в состоянии взаимного равновесия. Происходит разгрузка радиального давления в массиве и движение контура полости внутрь. Это движение идет до тех пор, пока не установится равновесие между давлением в полости и напряжением в массиве. О таком равновесии можно говорить только после прохождения всех волн , порожденных основной ударной волной и установления однородного профиля давления внутри полости. На этом завершается динамическая стадия развития полости, но не эволюция полости, связанная с медленными процессами теплопроводности, и приводящая к перемещениям того же масштаба, что и на динамической стадии. Временной интервал этой фазы 0,2 - 1 сек.
  3. Фаза относительной неподвижности и неизменности полости. Введение этой фазы в самостоятельный временной интервал весьма условно, так-как он прослеживается отчетливо только в логарифмической шкале времени от 1 сек до 10 сек. Он возникает из-за того, что динамические процессы, протекающие очень быстро, завершаются за период порядка 1 сек, а процессы теплопроводности еще не успели повлиять на конфигурацию полости. Масштаб времени, к которому относится эта фраза, сопоставим с временным масштабом, в котором проявляется действие силы тяжести

    где h - характерный размер полости, g - ускорение силы тяжести. Это время оказывается достаточным, чтобы расплав успел стечь со стенок полости и начал накапливаться в ее нижней чаше. Включение в процессы силы тяжести нарушает их однородный характер, появляется выделенное направление - вертикаль. В этот же период происходит вывал отдельных кусков породы из верхней поверхности, что нарушает сферическую форму полости.
  4. Фаза интенсивного расплавления стенок полости. В ударной волне испаряется и расплавляется некоторое количество соли, но основное количество расплава накапливается в ходе процесса теплопередачи от паров соли, заполняющей полость ее стенкам. Результатом такой теплопередачи является также остывание и конденсация паров соли. В этот период, охватывающий интервал времени порядка 103 - 106 секунд, происходит образование расплава соли и расплавной линзы в нижней части полости. С увеличением глубины заложения полости ее объем уменьшается, а количество расплава остается тем же или несколько возрастает . Кроме того, увеличивается обратный ход полости. Эти причины могут привести к тому, что произойдет коллапс, то есть полное заплывание полости. На больших глубинах порядка 3000 метров и больше полость вообще не сможет образоваться.
  5. Фаза затвердевания расплава. В процессе дальнейшего уноса тепла из зоны взрыва происходит затвердевание расплава. Этот процесс лежит в интервале времен 106 - 108 секунд

Фаза выравнивания температуры в массиве. Эта заключительная фаза, в результате которой устанавливается тепловое равновесие между зоной взрыва и окружающим массивом (108 - 1010 сек). Проникновение воды в полость ускоряет процессы остывания и в особенности смену двух последних фаз.



Заключительная стадия подземного ЯВ

Характер механических эффектов подземного ядерного взрыва во многом определяется конкретным строением геологической среды. При этом существенным является соотношение масштабов взрывного воздействия и присутствующих в среде неоднородностей. В любом случае наличие в геологической среде тектонических разломов либо крупных трещин и зон, характеризующихся пониженными прочностными свойствами, приводит к сложной картине остаточных проявлений крупномасштабного подземного взрыва.

Отличительной особенностью строения испытательных площадок "Балапан" и "Дегелен" Семипалатинского полигона является наличие большого числа тектонических нарушений разного масштаба, а также границ раздела горных пород, характеризующихся разными физико-механическими свойствами. Особенно сложная картина развития взрыва наблю- дается в горном массиве Дегелен: сложном по структуре горном образовании с сильно развитыми системами трещин и разломов, а также наличием достаточно мощного приповерхностного выветренных горных пород.

Трудности обеспечения безопасности проведения ядерного взрыва и прогнозирования их последствий, возникшие при первых ядерных испытаниях в сложных горно-геологических условиях Семипалатинского полигона, привели к необходимости постановки широкомасштабных комплексных исследований, связанных с определением влияния структурного строения среды на механические эффекты подземного ядерного взрыва. Можно с уверенностью говорить о том, что затраченные усилия не были напрасными. В результате кропотливой работы, чередования успехов и ошибок удалось построить целостную картину развития мощного взрыва в сложной геологической среде. Более того, имеющиеся гения экспериментальных данных позволяют уверенно прогнозировать и описывать механические эффекты ядерного взрыва практически во всех массивах горных пород , каким бы ни было их структурно-тектоническое строение

Особо следует подчеркнуть, что именно изучение неоднородных сред и их реакции на крупномасштабное взрывное воздействие позволило достичь понимания в описании эффектов, напрямую связанных с естественной и сформированной блочностью среды, а именно: эффекта дальнодействия взрыва (наряду с традиционно рассматриваемыми зонами необратимого поведения среды - полостью, зонами дробления, наведенной и подновленной трещиноватости была выявлена зона локальных необратимых проявлений радиусом около 1000 м для взрыва мощностью 1 кт), выхода продуктов взрыва в атмосферу и индуцированной сейсмичности. Именно при исследовании афтершоковых последовательностей подземного ядерного взрыва удалось установить интересную особенность поведения среды: после периода достаточно заметных сейсмических проявлений, весьма короткого для взрывов малой мощности в сильнонарушенных массивах (он составляет около 5-10 суток для взрыва мощностью 1 кт) наступает достаточно продолжительный период аномального режима релаксации среды (наличие аномально большого количества импульсных микроколебаний малой амплитуды местного происхождения).



Особенности деформирования блочной среды при подземном ядерном взрыве

Представления об основных закономерностях деформирования твердой среды при подземном взрыве, сложившиеся до недавнего времени, основывались, в основном, на эмпирических данных. Подразумевалось, что среда (массивы горных пород) представима в виде сплошного однородного континуума. Однако при решении задач, связанных с оценкой деформационных характеристик реальной геофизической среды, возникли серьезные затруднения. Использование континуальных моделей среды без учета остаточных деформаций на межблоковых контактах приводит к существенному искажению истинной картины процесса развития подземного взрыва.

Несоответствие результатов использования континуальных моделей среды для решения задач, связанных с описанием последствий подземного ядерного взрыва, заставило обратить внимание на структурную неоднородность реальной геофизической среды.

Тектонические нарушения в виде разрывов, разломов, трещин распространены в земной коре повсеместно. Тектонические нарушения имеют разный масштаб: от едва заметных на глаз трещин до тектонических разломов, которые хорошо прослеживаются в подземных выработках и на поверхности горных массивов. Наличие тектонических нарушений в массивах горных пород способствует существенному перераспределению действующих в них напряжений и вызываемых ими деформаций.

С точки зрения влияния на процессы деформирования и разрушения реальной геофи-зической среды при подземном взрыве интерес представляют тектонические нарушения 3-5 классов протяженностью от 10 до 103 м. Наличие указанных структурных нарушений определяет существенно неоднородный характер деформирования горного массива при взрыве: наблюдается ярко выраженная локализация наиболее крупных необратимых проявлений вблизи нарушений сплошности среды.

Исследования поворотов структурных блоков в подземных условиях (регистрировалось изменение наклона стенки выработки вдоль и поперек ее оси) показали немонотонный характер изменения остаточных угловых деформаций вдоль выработки. При этом наблюдается чередование областей, характеризующихся противоположными по направлению наклонами стенки выработки. Особенно четко это прослеживается по данным о наклонах стенки в плоскости, перпендикулярной оси выработки. Отмеченную особенность допустимо интерпретировать как независимое движение структурных элементов, слагающих горный массив. В связи с тем, что пункты наблюдений наклона располагались на значительном удалении друг от друга (5-50 м), результаты измерений в совокупности могут характеризовать движение структурных элементов массива, а не отдельных элементарных блоков породы, т.е. отражать характер деформирования блоков, обладающих внутренней структурой.

Предполагая, что соседние пункты наблюдений, в которых зарегистрированы остаточные повороты одного знака, принадлежат одному и тому же структурному элементу горного массива, можно в первом приближении оценить размер независимо деформирующегося структурного элемента (с той точностью, которую обеспечивает пространственная дискретность измерений).



Влияние неотектонической структуры горного массива на особенности его деформирования при ПЯВ

После подземного ядерного взрыва на поверхности горного массива образуется целый комплекс деформационных проявлений, связанных со смещениями блоков горных пород (трещины, уступы), а также с перемещениями рыхлых обломочных масс (оползни, осыпи, каменные лавины). Величина деформаций и особенности их распространения в пространстве зависят не только от мощности взрывного воздействия, но и от особенностей геологического строения массива горных пород и, в частности, от его неотектонической структуры. Под неотектоническими структурами и разломами понимаются элементы тектонического строения массива горных пород образовавшиеся, либо активизированные на последнем, современном этапе геологического развития. Именно в зонах неотектонических нарушений наиболее велика концентрация тектонических сил и напряжений, высвобождение которых при ПЯВ способно увеличить нарушенность горного массива и оказать влияние на особенности распространения поверхностных деформаций.

Релаксация тектонических напряжений при ПЯВ неоднократно наблюдалась на полигоне в штате Невада с помощью геодезических, сейсмических и тензометрических измерений. Так после взрыва "Jorum", мощностью ~ 1 Мт, проведенного в вулканогенных породах на глубине 1158 м 16 сентября 1969 г., интенсивные подвижки в зонах разломов и скачки напряжений в горных породах продолжались в виде пульсаций в течение нескольких суток, что позволило связать их с разрядкой тектонических напряжений. Отмечалось также резкое увеличение количества сейсмических толчков (афтершоков), продолжавшихся после взрыва в течение нескольких десятков суток. Кроме того, для 25 ПЯВ мощностью от ~ 100 до ~ 1800 кт, проведённых в 60-х - 70-х годах в районе Pahute Mesa Невадского полигона, отмечалась поляризация высокочастотных составляющих продольных волн, возбуждаемых при ПЯВ, что также свидетельствует о возможной релаксации тектонических напряжений. Вместе с тем связь подземных ядерных взрывов с региональной сейсмичностью пока установлена лишь статистически , и в целом вопрос остаётся дискуссионным . Сейсмические наблюдения в районе Новоземельского полигона ограничивают зону проявления тектонической энергии радиусом 1 км для взрыва мощностью 150 кт. На примере ПЯВ, проведённых в городах Моисеева и Лазарева показана пространственная связь поствзрывной нарушенности массива горных пород с его неотектоническим строением.

Массивы гор Лазарева и Моисеева сложены переслаивающимися терригенно-осадочными породами кембрия, силура и девона: кварцитами, кварцито-песчаниками, сланцами, известняками. Породы смяты в складки и характеризуются широким развитием тектонических нарушений разного порядка.

Изучение неотектонической структуры горных массивов Новоземельского полигона было проведено Л.С.Пантелеевым и С.С.Бодровым с помощью морфо-тектонического анализа современного рельефа земной поверхности масштаба 1:5000 - 1:10000 по специальной методике, разработанной на географическом факультете МГУ. Методика позволяет выделить в строении массива горных пород морфоструктурные блоки разного иерархического уровня, из множества дизъюнктивных нарушений выявить разрывы, активизированные на новейшем этапе и оценить вероятные направления динамической активности на границах блоков (сжатие, растяжение, сдвиг).

Поствзрывные деформации поверхности горных массивов наблюдались при всех ПЯВ, проведенных на Новоземельском полигоне. В первые годы фиксировались лишь наиболее крупные деформационные проявления: провальные воронки, каменные лавины, наиболее крупные трещины. Исследованию этих проявлений посвящены многие работы В.В.Адушкина. Детальное изучение поствзрывной нарушенности горных массивов, с топопривязкой и определением геометрических размеров трещин, уступов и других деформаций начато в начале 80-х годов И.И.Петрожицким, А.И.Ивашкиным, А.А.Куценко, А.П.Шуваевым. Ими для ряда горных массивов гор Моисеева и Лазарева были составлены карты распространения трещин, уступов и других поствзрывных проявлений в масштабе 1:5000. Этими работами установлено, что ориентировка большинства поствзрывных трещин совпадает с ориентировкой естественной трещиноватости горного массива, развитой согласно с направлением слоистости пород, а также определены размеры зон поствзрывных деформаций, наблюдаемых на поверхности.

Исследование пространственной связи поствзрывной нарушенности массива горных пород с его неотектоническим строением показало, что неотектоника оказывает влияние на величину, особенности размещения и тип поствзрывных деформационных проявлений.Это влияние наблюдается в массивах, сложенных наиболее прочными, жесткими, горными породами (песчаниками, кварцитами, кварцитопесчаниками и т.п.) на расстояниях до (1,9 - 2,3 ) ЛНС от центра взрыва В пределах этой зоны наиболее крупные и даже максимальные по величине остаточные деформации (трещины, уступы) на поверхности горных массивов контролируются зонами неотектонических нарушений определенного иерархического уровня.

Морфоструктурный анализ строения горного массива позволяет выделить три вида тектонических сил, концентрирующихся в зонах сгущения трещин: растягивающие, сжимающие и сдвиговые. От направления действия этих сил в данных зонах зависит и направление перемещения блоков при взрывном воздействии на массив горных пород, поскольку величина поствзрывных деформаций в подобных зонах больше зависит от особенностей неотектонической структуры, чем от мощности взрывного воздействия.

В пределах более крупных, по иерархии и размерам, линейных морфоструктур - на гра-ницах секций и блокоразделах, деформационные проявления, образовавшиеся после рас-сматриваемых опытов, либо существенно меньше по величине, либо не наблюдаются вовсе, причем даже в том случае, когда источник взрывного воздействия находится в непосредственной близости от самой зоны.



Зона локальных необратимых проявлений подземного ядерного взрыва

Разрушение твердой среды под воздействием взрывной нагрузки связывается с нарушением сплошности, а следовательно — связности отдельных ее структурных элементов между собой что определяет в итоге блочный состав разрушенной среды. Здесь уместно отметить, что расчленение горной породы в результате взрыва на отдельные слабосвязанные между собой структурные элементы не всегда приводит к их беспрепятственному разделению по вновь образованным поверхностям. При камуфлетных взрывах в отсутствии поверхностей и зон разгрузки большие деформации, сопутствующие взрывному движению, а также остаточные напряжение могут привести к достаточно плотной упаковке отдельных кусков горной породы разрушенного в целом горного массива. Об этом свидетельствуют имеющиеся эксперименты по движению горной породы, разрушенной подземным ядерным взрывом. Вместе с тем нарушение связности горного массива, вносимое в среду взрывным воздействием, отчетливо проявляется изменением основных механических свойств среды. Установлено, например, что в области интенсивного трещинообразования заметно падает скорость распространения волн, увеличивается пустотность, а также проницаемость горного массива и слагающих его пород.

Изучение структуры массива горных пород в многочисленных экспериментах показало, что при относительном радиусе зоны дробления горной породы R1/q1/3 в 35-45 м/кт1/3 вновь образованные при взрыве трещины прослеживаются до относительных расстояний R2 /q1/3 = 70 - 100 м/кт1/3 . Среди геофизиков именно эта величина (сопоставимая с длительностью сигнала излучаемого на большие расстояния) рассматривается в качестве радиуса зоны разрушения среды при подземном ядерном взрыве. Детальные исследования, проведенные при опытно-промышленном ядерном взрыве 04.09.72. (Хибины), показали, что инструметально выделить зону дробления внутри внутри зоны наведённой трещиноватости не представляется возможным: параметры нарушенности среды (трещиноватость λ и коэффициент проницаемости k) представляют собой гладкие функции расстояния вплоть до r = R2 , где они выходят на начальные значения . Это свидетельствует , в частности , о том , что существующая неоднозначность в оценке размеров зоны разрушения связана с необходимостью привязки самого понятия «разрушение» к возможности осуществления конкретного технологического процесса. Так, например, для горняков, основная цель которых при проведении взрывных работ заключается в выпуске отбитой горной массы, размер зоны разрушения совпадает с размером области, в пределах которой разрушенный горный массив испытывает разрыхление, обеспечивающее беспрепятственное извлечение разрушенного материала из массива. По имеющимся данным коэффициент разрыхления породы К должен составлять в этом случае величину не ниже 1,18. Относительный радиус области с К > 1,18 составляет для ядерного взрыва 30—35 м/кт1/3. При геотехнической подготовке массивов горных пород для целей подземного выщелачивания металлов, газификации углей и сланцев и т.п. радиус зоны достаточной нарушенности определяется величиной проницаемости среды и разветвленности проницаемых каналов (коэффициент проницаемости k>0,1 Д (1 Дарси = 10-12 м2), средний размер куска <х> < 0,25 м) и составлять около 60 м/кт1/3. Радиус области неупругих деформаций при взрыве (размер источника сейсмических колебаний), который также допустимо трактовать как размер зоны разрушения, составляет, как уже отмечалось, 70-100 м/кт1/3 в зависимости от типа горных пород.

Отметим, что во всех указанных случаях при оценках размера зоны технологически приемлемых разрушений достаточно указать некоторую среднюю величину. Сложнее провести оценку размера зоны разрушения в тех случаях, когда необходимо учитывать возникновение даже редких по пространству проявлений разрушающего действия взрыва. Не исключено, что в этом случае при установлении размера зоны разрушения массива горных пород необходимо ориентироваться на максимально возможные расстояния, на которых взрывное воздействие вызывает необратимые проявления, трактуемые как разрушение: аномально большие необратимые подвижки горной породы, раскрытие тектонических трещин и разломов и т.п.

В связи с этим возникает два вопроса: о пространственной симметрии зоны взрывного разрушения массива горных пород и о возможности возникновения существенных (с зрения устойчивости среды и размещенных в ней сооружений) необратимых проявлений подземного ядерного взрыва на расстояниях до некоторого R, превышающего радиус традиционно выделяемой зоны разрушения (~ 100 м/кт1/3).

Что касается первого вопроса, то известно, что размер зоны и интенсивность трещино-образования на конкретном азимутальном направлении определяется углом между направлением распространения волны сжатия и пространственным простиранием естественных трещин, либо границ раздела различных по составу и свойствам горных пород. Образованные при взрыве трещины в большей степени развиваются в направлении естественной трещиноватости .

Если говорить о дальнодействии взрыва, то в настоящее время накоплено значительное количество экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии необратимых проявлений на расстояниях, существенно превышающих 100 м/кт1/3. При этом масштаб указанных необратимых эффектов в отдельных случаях может оказаться весьма значительным. К подобным проявлениям подземного ядерного взрыва прежде всего следует отнести ярко выраженные остаточные деформации горного массива в виде образования зияющих трещин (шириной до 10 мм), аномально больших (до 20 мм) локальных подвижек и угловых деформаций, сбросов, деформации рельсовых путей, а также значительных по объему вывалов горной :породы в подземных выработках. Здесь же следует отметить изменение гидрогеологической обстановки на значительном удалении от подземного ядерного взрыва.

Необходимо обратить внимание на одну важную особенность механического дальнодействия подземного ядерного взрыва: при проведении повторных взрывов в пределах одной геофизической площадки необратимые локальные проявления в среде могут возникать при меньших по сравнению с предшествующими взрывами параметрах воздействия.

Одной из наиболее вероятных причин усиления механического эффекта в дальней области при повторных взрывах является накопление остаточных напряжений либо необратимых деформаций от предшествующих воздействий на механически ослабленных участках горного массива. В этом случае повторные взрывы могут вызвать значительные по величине остаточные проявления даже на тех участках массива горных пород, на которых указанные проявления (с учетом амплитуды воздействия) не прогнозируются. Последнее существенно усложняет анализ устойчивости сооружений и горных массивов при интенсивных динамических нагрузках.

Многочисленные наблюдения, проведенные при крупномасштабных подземных взрывах, позволяют устанавливать характерные размеры приповерхностной з оны откольных явлений. В частности, для взрывов с приведенной глубиной R/q1/3 - 80 - 120 м/кт1/3 радиус зоны откольных проявлений по естественным нарушениям среды составляет в среднем около 800 м/кт1/3. Характерно, что максимальная массовая скорость в волне сжатия составляет на этих расстояниях 0,15 - 0,2 м/с, которая одновременно является граничной величиной для видимых механических проявлений сейсмовзрывного эффекта.

Возникновение необратимых локальных проявлений в среде на значительных расстояниях от места проведения подземного ядерного взрыва обусловлено блочным строением реального массива горных пород. В этом случае средняя деформация среды складывается из деформации собственно горной породы (блоков) и деформации существенно более слабого по сравнению с горной породой материала-заполнителя промежутков. В результате деформирование блочной среды осуществляется преимущественно по поверхностям и зонам ослабления прочности, в окрестности которых по этой причине и происходит локализация необратимых проявлений. В зависимости от конкретной иерархической структуры горного массива и прочности межблоковых связей локальные разрушения могут наблюдаться на расстояниях вплоть до 103 м/кт1/3. Известные масштабы структурных неоднородностей свидетельствуют о том, что в природе не существует массивов горных пород, лишенных иерархически соподчиненной структуры. Например, реальный горный массив, не содержащий тектонических разломов, имеет ослабления прочности на более высоком иерархическом уровне. При этом естественно, что масштаб необратимых локальных проявлений полностью соответствует масштабному уровню разрушаемой структуры.

В любом случае при оценке возможных разрушений в массиве горных пород в результате действия подземного ядерного взрыва необходимо иметь в виду вероятность возникновения локальных разрушений в области радиусом до 103 м/кт1/3.



Каменные лавины на Новой Земле

Каменные лавины образуются на горных склонах при обрушении больших объемов горных пород. Разгоняясь на больших участках склона горная масса начинает течь подобно жидкости и может с большой скоростью уходить на расстояния до километров и даже десятков километров по пологим участкам долин и предгорий. На Новоземельском полигоне каменные лавины наблюдались при проведении подземных ядерных взрывов в горах Лазарева, Моисеева, и массиве горы Черная.

Рассредоточенность естественных лавин во времени и пространстве, наблюдение лишь конечных отложений, нередко нарушенных более поздними геологическими процессами, существенно ограничивают возможности исследователей. В этом плане подземные ядерные испытания на Новой Земле позволили получить уникальный экспериментальный материал. Известное заранее время и место схода лавин позволило провести наблюдение и регистрацию всего процесса во времени, а также определить неискаженные эрозией геометрические параметры участков обрушения и навала лавин. Наблюдения близких по масштабу лавин в различных по геологическому строению горных массивах позволило установить особенности влияния литологического состава пород на условия обрушения горных склонов взрывом, а также влияние гранулированного состава обломочной массы на длину пробега каменных лавин.



Геометрические размеры и скорость движения лавин

На Новоземельском полигоне крупные обрушения с образованием каменных лавин наблюдались при проведении восьми штольневых взрывов. Все взрывы характеризуются практически полной камуфлетностью. Обрушение происходило на участках с максимальной крутизной склона при достаточной мощности динамического воздействия. Вследствие процесса множественного откола раздробленная каменная масса вспучивалась над поверхностью склона в виде купола и затем скатывалась вниз по склону. Разгоняясь на крутых участках склона под действием силы тяжести, каменный поток растекался затем по пологим участкам на расстояния до 1-2 километров. Лавина наибольшего объема после взрыва В-1 (12.09.73) перекрыла долину реки Журавлевки, вследствие чего образовалось озеро "Наливное" с площадью зеркала воды около двух квадратных километров.

Измерение размеров техногенных лавин проводилось геодезическими методами, визуально и с помощью аэрофотосъемки.

Проведены исследования зависимости продвижения и скорости фронта лавины А-10 (23.08.75) во времени. Измерения были начаты в момент выхода фронта лавины из облака пыли, поднятого при взрыве. Общее время движения составляло 30 сек, максимальная скорость фронта 45 м/с достигалась на 15 секунде.

Сопоставление контура области обрушения с распределением максимальной массовой скорости движения грунта при взрыве показало, что не всегда обрушению подвергается область максимального воздействия взрыва. В большинстве изученных обрушений определяющую роль имел угол наклона обрушенного участка, то есть на фоне общего обширного воздействия взрыва на склон обрушивалась именно та его часть, наклон которой превышал некоторый критический угол.

Помимо величин максимальной массовой скорости движения грунта и угла наклона поверхности склона, характеризующих критические условия обрушения, определенная роль в обрушении горных склонов под действием подземных взрывов принадлежит особенностям геологического строения горного массива, в котором производится взрыв. Наиболее податливой к обрушениям была гора Черная.

Отмеченное влияние индивидуальных свойств горного массива на критические параметры обрушения до некоторой степени находятся в соответствии с прочностными характеристиками горных пород.

Одним из наиболее важных параметров каменных лавин является дальность распространения их фронта. Известно, что с увеличением объема лавины относительная дальность их распространения (L/Н) в целом увеличивается от 2-3 при объеме 106 м3 до 8-10 при V = 1010-1012 м3, что обусловлено тем запасом кинетической энергии, которую приобрела порода при обрушении под действием силы тяжести. Вместе с тем на фоне этой общей зависимости наблюдается значительный разброс экспериментальных данных, анализ которых для естественных лавин трудно осуществим вследствие многообразия возможных факторов, способных повлиять на процесс торможения, то есть на величину потерь энергии лавины при ее движении по пологому участку склона.

Определенный вклад в развитие отечественной гражданской и военной сейсмологии внёс и Институт сейсмологии АН Узбекистана, созданный по инициативе автора этих строк в 1966 году после разрушительного Ташкентского землетрясения. Наши достижения в 80-х годах прошлого столетия в области автоматизации сейсмических наблюдений способствовали возникновению в Ташкенте и другого, сугубо "военизированного", научного учреждения - НИИ "Алгоритм" АН Уз ССР, в котором работали и мои воспитанники и подопечные.
Измерения при подземных ядерных испытаниях