Особенности подземных ядерных взрывов и перспективы их использования в горной промышленности

О.Л.Кедровский, проф., д.т.н. И.Ю.Шищиц, проф., д.т.н. Н.М.Ромадин, к.т.н., ВНИПИпромтехнологии

Характерной чертой обеспечения современного общества является выраженная тенденция истощения сырьевых ресурсов при одновременном росте их потребления. Это обстоятельство приводит к необходимости разработки месторождений твердых и жидких полезных ископаемых на больших глубинах, в худших горно-геологических и географо-экономических условиях, с более бедным содержанием полезных ископаемых, что, в конечном счете, требует увеличения затрат всех видов энергии на единицу получаемой продукции.

Одновременно растут потребности в развитии горностроительных технологий, способных обеспечить создание крупных сооружений различного назначения.

Основные энергетические затраты в горном деле и крупномасштабном строительстве идут на разрушение и перемещение горной массы. С этой целью широкое использование получила энергия взрыва. Только в странах бывшего СССР ежегодно взрывом дробилось свыше миллиарда тонн горных пород [15]. При этом масштабы отдельных взрывов достигали весьма значительных величин (табл.1).


Решить проблему снижения затрат общественного труда и повышения его эффективности в таких условиях можно за счет использования принципиально нового энергоносителя и прогрессивной технологии, учитывающей его применение.

В прошлые годы в стране были приняты меры по выявлению возможности и научному обоснованию технологий использования энергии ядерного взрыва - как одного из видов высвобождения энергии для решения крупных горно-технологических задач. При этом основные направления такой деятельности были направлены на решение следующих проблем:

• определение феноменологии ядерного взрыва в условиях горной среды;

• определение эффектов взаимодействия взрыва со средой, его особенности и эффективности по сравнению с химическими взрывчатыми веществами;

• определение технических и технологических направлений и схем исполь-
зования ядерных взрывов в горном и

горно-строительном производстве;

• исследование сейсмических, механических, радиационных последствий ядерных взрывов на вмещающую среду;

• разработка мер и средств обеспечения сейсмической и радиационной безопасности с обоснованием надежности локализации и изоляции вредных последствий взрыва.

Для достижения этих целей сотрудниками институтов быв. Минсредмаша, Академии наук и других ведомств в течение 20 лет проводились работы по данной программе с проведением наблюдений на объектах взрывов, на основе которых была разработана и частично осуществлена программа использования ядерных взрывов в народном хозяйстве. Основными направлениями использования ядерных взрывов в мирных целях явились:

• дробление рудных тел;

• предупреждение выбросов в угольных шахтах;

• создание подземных емкостей-хранилищ;

• сейсмическое зондирование и разведка недр;

• интенсификация добычи нефти;

• создание коллекторов для закачки промстоков и др.

Основные результаты этих работ подробно описаны в работе [1].

Накопленный в результате выполненных работ проектно-конструкторский и научно-исследовательский опыт и практические результаты трудно переоценить. Были получены новые данные о поведении массивов пород под воздействием мощных взрывных нагрузок, теплового поля, деформированности массивов в больших объемах, устойчивости подземных выработок различной формы, нарушениях гидрогеологических режимов и др. Полученные результаты имеют не только теоретическую значимость, но могут быть использованы в других областях, не связанных со взрывными работами.

Более того, несмотря на прекращение в настоящее время работ по программе использования подземных ядерных взрывов в мирных целях мож-
но говорить об их практическом использовании в будущем. Например, их применение на этапе реконструкции промышленности России, необходимости выполнения работ в сжатые сроки, особенно в малозаселенных областях Сибири может оказаться весьма выгодным и перспективным.

Поэтому знание феноменологии ядерного взрыва, протекающих при этом процессов является весьма важным. К тому же правильное понимание этих вопросов поможет научно-технической общественности и населению преодолеть популистские представления о новых, сложных и опасных при неправильном обращении с ними технологиях.

В горном деле под взрывом понимается процесс быстрого физико-химического превращения вещества, при котором высвобождается энергия и совершается работа [2].

Использование взрывов химических ВВ имеет богатейшую историю и обширную, глубоко разработанную научную базу. Однако создание ядерных зарядов обусловило зарождение нового, революционного этапа развития науки о взрыве и технологии его применения в народнохозяйственных целях.

Это новшество позволило принципиально по-новому подойти к проблеме повышения эффективности технологий в горном деле и строительстве и одновременно потребовало дополнительных знаний о взрыве и приемах
его использования, так как ядерный взрыв обладает значительной спецификой, вызванной масштабами и особенностями происходящих в процессе его развития различных явлений.

При любом подземном взрыве, наиболее широко используемом в горном деле и горно-техническом строительстве, имеет место ряд основных последовательных явлений: высвобождение энергии, передача энергии взрыва среде, распространение энергии по среде и реакции среды. Каждое из этих явлений при взрыве ядерного и химического зарядов существенно отличается по характеру реагирующей системы, ее элементам, содержанию процесса, физическим эффектам, а также по основным технологическим эффектам. Характеристика процессов, сопровождающих ядерный взрыв, приведена в табл.2.

Высвобождение энергии обусловлено процессом осуществления цепной реакции в системе, представленной зарядом. Химическая цепная реакция осуществляется на уровне взаимодействия атомов и молекул. При ядерном взрыве происходит ядерная цепная реакция, при которой взаимодействия происходят уже на внутриядерном уровне.

Поскольку внутриядерные связи существенно отличаются от молекулярных, то и высвобождаемая энергия, приходящаяся на единицу массы реагирующего вещества, так же весьма различна, достигая шести порядков. Вследствие этого реальные масштабы ядерного и химического взрывов находятся в существенно различных диапазонах мощностей.

Для химических ВВ обычно характерны мощности от нескольких килограммов до десятков тонн. Взрывы мощностью в сотни и тысячи тонн и более практически неосуществимы. В то же время мощность ядерных взрывов, как правило, эквивалентна тысячам и десяткам тысяч тонн ТНТ, достигая многих десятков миллионов тонн.

Длительность процесса энерговыделения при ядерном взрыве практически не зависит от мощности заряда (0.1 кт - 5Н0-8с, 100 кт - 58-10-8с) [3]. При взрыве химических ВВ продолжительность детонации значительно больше. Она зависит от типа ВВ, способа подрыва, формы и конструкции заряда, его мощности и для килотонного сосредоточенного заряда ТНТ может составлять на пять порядков больше, чем при ядерном [3]. Объем зарядного устройства ядерного заряда килотон-ной мощности на 2-3 порядка меньше заряда химического ВВ. При больших мощностях это отличие может увеличиться еще на несколько порядков.

К моменту завершения процесса энерговыделения вся энергия сосредоточена в газе. Газы химических ВВ нагреты до 2000К и сжаты до давления 10 ГПа. По своей природе при нормальных условиях она не конденсируется. При ядерном взрыве обычно в состав газов включают собственно продукты детонации прореагировавшего ядерного горючего и испарившиеся части зарядного устройства. Большая часть этих газов представляет пары различных металлов и других веществ с высокой температурой конденсации. Начальные термодинамические параметры продуктов детонации при ядерном взрыве обладают более высокими уровнями, чем при взрывах химических ВВ. Температура достигает нескольких миллионов кельвинов, давление - десятков тысяч ГПа, плотность энергии - на несколько порядков выше, чем при взрыве химических ВВ. При этом существенным является то, что параметры растут с увеличением мощности ядерного заряда и практически остаются неизменными для взрыва химических ВВ.

Для различных мощностей заряда химических ВВ и условий взрыва практически неизменной является доля энергии, идущая на механическую работу, в то время как для ядерного взрыва она может меняться в широких пределах. Кроме того, в отдельных случаях могут заметно проявить себя световое излучение, электромагнитный импульс, гамма-лучи, нейтронные потоки и другие специфические явления, свойственные именно ядерному взрыву.

Столь значительные особенности и различия элементов системы и параметров процесса на первоначальной стадии развития взрыва приводят к существенным различиям и на последующих стадиях.

Передача энергии продуктов взрыва среде происходит в процессе взаимодействия двух систем: продуктов дето-
нации в объеме зарядной камеры и прилегающего массива горных пород.

При взрыве химических ВВ обмен энергией между продуктами взрыва, представленными раскаленными газами, и окружающей средой происходит в основном в виде кинетической энергии продуктов детонации, возбуждающих волну сжатия, которая в гидродинамическом смысле является слабой, так как способна лишь незначительно изменить плотность пород [3].

При ядерном взрыве его энергия представлена кинетической энергией осколков деления, нейтронов, паров вещества зарядного устройства, энергией мгновенного гамма-излучения, электромагнитного импульса и др. в зависимости от конструкций и типа заряда. Энергия продуктов взрыва, передающаяся окружающей среде на границе зарядной камеры, вызывает испарение породы. Ее количество так велико, что в дальнейшем она становится главной составной частью рабочего пика [4]. В данном случае имеет место дополнительный промежуточный элемент, который значительно изменяет физику процесса передачи энергии. При этом значительная ее часть (20%) затрачивается на изменение физического состояния среды, снижая КПД взрыва, предназначенного для совершения механической работы.

Поскольку в образовании и поддержании поля напряжений в массиве важную роль играют расширяющиеся газы, большое значение при передаче энергии играет взаимосвязь между давлением, удельным объемом, температурой и удельной внутренней энергией газа или смеси газов, представляющих рабочее тело.

Параметры уравнения газового взрыва, ударные адиабаты и адиабаты расширения различны. При этом адиабата продуктов детонации ядерного взрыва охватывает более значительный диапазон давлений.

В связи с тем, что при передаче энергии существенное значение имеет и давление детонации и взаимное расположение ударных адиабат продуктов детонации и среды [5], приобретенная энергия волны напряжений в среде как в качественном, так и в количественном отношении при ядерном взрыве обладает значительным своеобразием. Распространение энергии по среде при взрыве химических ВВ происходит в виде волн сжатия и сейсмических волн, так как ударная волна практически ограничена зарядом [6].

 

При ядерном взрыве ударная волна распространяется по массиву в пределах зоны испарения пород радиусом до 3-5 м/кг1/3 [7]. Далее взрывная волна представлена волнами сжатия и сейсмической. Однако волна сжатия на начальном участке имеет более высокие параметры, чем при взрыве химических ВВ [7,8].

Поскольку породы в пределах зоны испарения переходят в газообразное состояние скачкообразно и в дальнейшем являются основным рабочим телом [4], то их можно рассматривать в качестве своеобразного ВВ. Таким образом, и при ядерном взрыве ударная волна так же ограничена «зарядом», а по массиву аналогично химическому ВВ идет только волна сжатия и сейсмическая волна.

В этом случае основное различие в процессе передачи энергии по массиву заключается в масштабе явления, абсолютных параметрах волн напряжений и величине диссипативных потерь, которые заметно больше при ядерном взрыве.

Существенным является и то обстоятельство, что система, представленная средой, для условий ядерного и химического взрыва имеет большое различие. Если при химическом взрыве это, как правило, горные породы или участки горных пород, то для ядерного взрыва - это участки массива или целые массивы горных пород. А параметры этих систем (скорость распространения волн напряжений, коэффициенты диссипативных потерь, первоначальная плотность среды, деформационные свойства и т.д.) заметно отличаются друг от друга, по-разному реагируют на движение потока энергии.

Реакция окружающей среды на движение потока энергии является важным технологическим эффектом при взрыве. Системой в данном случае является среда, изменяющая свое состояние. При этом система, в которой протекает процесс, имеет те же особенности, что и в предыдущем случае относительно масштабного фактора, но параметры системы охватывают большое количество показателей: механические, термодинамические, химические, радиационные, электромагнитные, технологические, геологические и др. Это связано с тем, что при ядерном взрыве имеют место не только аналогичные взрыву химических ВВ разрушение и перемещение горных пород (правда, в совершенно иных масштабах), но также и такие своеобразные эффекты, как радиоактивное последствие, ионизация, химическое преобразование веществ и минералов, испарение и плавление и разогрев пород, интенсивная дезинтеграция минералов и пород, разрушение или изменение значительных участков пород и массивов. На рисунке представлены основные эффекты действия ядерного взрыва.

Особенности параметров системы и процессов определяют различие принципов подхода к использованию положительных эффектов и снижению отрицательных эффектов в случае разработки технологий, основанных на использовании энергии взрыва. В случае ядерных взрывов в качестве самостоятельного явления выделяется эффект радиационного последствия.
Взрывное (радиационное) последствие при ядерном взрыве определяется типом цепной реакции, характером продуктов детонации и воздействием их на среду уже после завершения взрыва.

При взрыве химических ВВ продукты детонации загрязняют атмосферу ядовитыми газами. Поскольку их количество относительно мало (2-3 Мт в год для всего земного шара) они разбавляются в атмосфере и не представляют в глобальном и региональном плане опасности.

При ядерном взрыве может иметь место накопление и образование нежелательных или опасных концентраций вредных веществ, сохраняющих свою токсичность в течение длительного времени и в точке взрыва, и в региональном и в глобальном плане в зависимости от технологии производства взрыва и от технологии использования его эффектов в различных технологических цепочках. Это обстоятельство требует внимательного учета взрывного последействия во всех областях использования ядерно-взрывных технологий.

Таким образом, разительные особенности явлений и процессов их составляющих, систем, участвующих в этих процессах и их параметров, а так же других элементов позволяют говорить о совершенно оригинальном, своеобразном явлении и о новой области научного знания, раскрывающего это явление и используемого в народнохозяйственных целях.

Говоря о перспективах широкого использования ядерных взрывов в народном хозяйстве необходимо подчеркнуть особенности диапазона их технологического назначения.

Из таблицы 3 видны значительные технологические преимущества ядерных взрывов по сравнению со взрывами химическими. В основном эти преимущества связаны с компактностью заряда, концентрацией энергии в малом объеме, относительной дешевизной единицы энергии мощного заряда, его большой единичной мощности, высокой технологичностью производства взрыва, обеспечивающей возможность значительного сокращения объемов работ по доставке, размещению, герметизации и подрыву заряда, которые обычно связаны с использованием ручного и трудномеханизированного труда.

В то же время возможное применение ядерных и химических взрывов, в основном, находятся в различных диапазонах практического интереса, реально лишь в диапазоне мощностей взрыва эквивалентной энергии от нескольких сотен до первых тысяч ТНТ можно говорить о сопоставлении и конкуренции ядерных и химических взрывов. В диапазоне меньших мощностей практически применимы только химические взрывы, а в диапазоне больших - только ядерные.

В связи с этим имеют место отличия не только в физике явления взрыва, но и в технике и технологии его проведения, так как ранее существовавшие технологические приемы и технические средства были рассчитаны на использование химических взрывов и в подавляющем большинстве случаев оказались неприемлемыми для случая ядерных взрывов.

Но самое существенное, фундаментальное отличие состоит в том, что с помощью единичных или небольшого количества ядерных взрывов могут создаваться крупные, иногда весьма сложные объекты технологического использования: подъемные емкости, укрупненные скважины, подземные перколяторы, магазины руды, выемки, насыпи и т.п. (таблица 4).

Эти обстоятельства требуют нового научного подхода в изучении закономерностей действия взрыва и управления его эффектами. Использование же ядерных взрывов в народнохозяйственных целях требует разработки соответствующих технологий, включающих в себя собственно технологические процессы, аппаратурно-машинные комплексы и организационно-управленческие компоненты [9, 10].

Ядерно-взрывная технология является сложной системой, требующей для своего развития большого объема исследований, материальных и временных ресурсов. Поэтому при ее разработке необходимо руководствоваться принципами программно-целевого управления, обеспечивающи-
ми наиболее эффективное использование ресурсов для достижения поставленных целей. ■

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л.М.Гейман. Взрыв. -Наука" 1978.

2. Горная энциклопедия, т.1. -Советская энциклопедия; 1984.

3. В.Н.Родионов. О некоторын качественныi соотношениях параметров действия взрыва в твердой среде. В сб. -Взрытное дело- 73/30 -Недра, 1974.

4. Т.Р.Буткович. Газовое уравнение состояния для природные материалов. -Мир-, 1975.

5. ККШведов, А.Н.Дремин. О параметрах детонации промышленных ВВ и их сравнительной оценке. Взрыюное дело. Сборник 76/33. -Недра, 1976.

6. В.Н.Мосинец. Дробящее и сейсмическое действие взрыта в горныых породах. -Недра-, 1976.

7. Б.И.Нифонтов, Д.Д.Протопопов, И.Е.Сит-ников, А.В.Цгликов. Подземные ядерные взрывыI. Атомиздат, 1965.

8. В.Н.Родионов и др. Механический эффект подземного взрыта. -Недра-, 1971.

9. Управление и новая техника (исследования, разработки, внедрение) Под ред. В.А.Трапезникова. -Экономика-, 1978.

10. Управление научно-техническими программами. Под ред. Д.Н. Бобрышпева. -Экономика-, 1983.

11. А.М.Петрасьянц Атомная энергия в науке и промышленности. Энергоатомиздат, 1984.

12. Атомные взры1вы1 в мирныix целях. Сборник статей под ред И.Д.Морохова. Атомиздат, 1970.

13. В.В.Шреев, Н.Н.Ершов, Д.Д.Протопопов. Промышленные ядерные взрыты>1 (зарубежные исследования). Атомиздат, 1971.

14. Атомная наука и техника в СССР, М., Атомиздат, 1977.

15. Ядерные взрыты1 в СССР. Вып.: Мирное использование подземныых ядерныых взрытов. ВНИПИпромтехнологии, НПО -Радиевым институт.. Москва, 1994.

Журнал "Горная Промышленность" №2 1997