Препарированный взрыв

За иллюминатором камеры лежала кучка песка и совок. Здесь "играли в песок" по-научному. Когда сотрудники лаборатории вновь взялись за совок, они завершили на моих глазах миниатюрное ущелье - копию ущелья в Тянь-Шане на реке Бурлыкия. Рукотворные горы не престали и полметра, а само русло реки было не шире мизинца.

Песчаные горки были начинены взрывчаткой, но, разумеется, не настоящей. Ущелье уменьшили в 500 раз, соответственно сократили и силу заряда. Его заменили резиновыми оболочками, которые накачивали определенным количеством воздуха. Резиновые пузыри размещались в шарах из металлической сетки или в продолговатых каркасах. Здесь же располагалась нихромовая проволочка. По команде "Огонь!" в нее поступал электрический ток, она мгновенно накалялась и... Но прежде чем за иллюминатором произойдет взрыв, и мы узнаем его многообещающие последствия, познакомимся всерьез с моделью: имеет ли она право представлять здесь, в Институте физики Земли имени О. Ю. Шмидта, далекое тянь-шаньское ущелье, а резиновые шары - тысячетонные взрывы?

Песочек согласно теории подобия представлял в модели тот грунт, который слагал берега реки Бурлыкия: его вес и прочность, уменьшенные в соответствующее число раз; реальную атмосферу имитировала атмосфера камеры - воздух из нее откачивался до требуемого (по теории подобия) давления. Резиновых оболочек в песок закладывалось столько, сколько зарядов предполагалось разместить на самом деле. Каждая из них наполнялась сжатым воздухом, который, "взрываясь", выполнял работу, подобную работе настоящего взрыва. Резиновый шар говорил о том, что настоящую взрывчатку разместят в камерах примерно кубической формы, а резиновый цилиндр указывал на штольню в горах, в нее потом уложат сотни и тысячи тонн взрывчатого вещества. На реке Бурлыкия, в частности, было взорвано 700 тонн.

Чтобы научиться управлять недрами, сделать их до конца понятными, умело охранять их, ученые воссоздают в лабораториях подземную обстановку. На фотографиях представлены модели и стенды, где маленькие горные пласты подвергаются давлению, исследуются на прочность. Здесь рождаются рекомендации, которыми руководствуются под землей

Давайте составим обобщенную характеристику взрыва: возьмем не конкретные цифры, описывающие взрыв, - энергию, глубину заложения, плотность массива, скорость движения породы, - а их отношения внутри процесса, так чтобы они составили безразмерные комбинации. Подобная операция в отношении модельного и натурного взрывов приведет нас к одинаковым безразмерным выражениям! У громогласного взрыва, который услышит весь Тянь-Шань, и у беззвучного всплеска в лаборатории окажутся одинаковые исходные данные. И значит, одинаковые последствия (в безразмерном выражении).

Чтобы научиться управлять недрами, сделать их до конца понятными, умело охранять их, ученые воссоздают в лабораториях подземную обстановку. На фотографиях представлены модели и стенды, где маленькие горные пласты подвергаются давлению, исследуются на прочность. Здесь рождаются рекомендации, которыми руководствуются под землей

Рассмотрим эти последствия. После команды "Огонь!" нихромовая проволочка прожигает резиновую оболочку, заключенный в ней воздух разбрасывает песок и тот ложится поперек микроущелья. Все это происходит под стрекот скоростной кинокамеры. Кинопленка запечатлевает полет песка за ничтожные доли секунды, его перемещение с отвесных "гор" на дно "долины" и приземление поперек ее в виде плотины. Все это хорошо видно на фотографиях.

Я спрашиваю руководителя работ кандидата физико-математических наук В. В. Адушкина: "Почему вы остановились на таком методе моделирования гигантских взрывов - с песочком, вакуумной камерой и резиновыми оболочками? Разве нельзя их рассчитывать? И если уж моделировать, то на электронно-вычислительной машине?"

...Вся практика взрывного дела основана на эмпирических формулах, в которых синтезирован многовековой опыт мастеров разрушения. Когда взрыв стали пробовать для мирных дел, его решили обучать работе все по тем же - выведенным из опыта - законам. И они безотказно действовали до тех пор, пока использовались заряды небольшого масштаба. Но как только их мощь резко увеличили, как только пришлось поднимать грунт с глубины более 20-30 метров, тысячекратно подтвержденные расчеты вдруг дали осечку. Произведенные на их основе взрывы не работали с должным размахом, работали не по плану. Например, при создании Байпазинского гидроузла на реке Вахш рассчитывали, что 2000 тонн взрывчатки создадут завальную плотину объемом в миллион кубометров, а получили в два раза большую. Миллион кубометров взрыв подарил строителям. Награда за смелость, но не за точные расчеты!

Почему же крупные взрывы вышли из повиновения формулам? Первыми ответили на этот вопрос теоретики. Они установили, что до глубины 10-20 метров действию взрыва главным образом противоборствует прочность горных пород. И поэтому основные силы взрывной атаки специалисты нацеливали на дробление пород. Глубже 20 метров ситуация меняется. Ее теперь определяет сила тяжести той горной массы, которую предстоит поднять в воздух.

Теоретики это предсказали, и для проверки их идей практики организовали 1000-тонный взрыв. Он и подтвердил то, что родилось в академических кабинетах. Прочность отступала на второй план, переставала быть определяющим фактором. Причина тому - большие объемы взрываемой породы. Они не являются монолитными из-за своих размеров, а состоят из множества больших глыб, сравнительно слабо сцементированных между собой. Одна такая глыба монолитна, их набор - это уже не цельная порода, а, с точки зрения взрывника, раздробленная и позже спаянная. Вот почему сработавший динамит на небольшой глубине встречает одинаковое сопротивлений почти по всем направлениям, а глубже ему открываются слабые места горного массива. Взрыву легче нарушив его цельность, труднее поднять и перенести его на новое место.

Чтобы научиться управлять недрами, сделать их до конца понятными, умело охранять их, ученые воссоздают в лабораториях подземную обстановку. На фотографиях представлены модели и стенды, где маленькие горные пласты подвергаются давлению, исследуются на прочность. Здесь рождаются рекомендации, которыми руководствуются под землей

Взрывникам предстояло теперь менять направление атаки - основное усилие требовалось направить против веса перемещаемого грунта. Для придания такой направленности взрывному процессу прежние формулы не годились.

Мы возвращаемся к вопросу: "Удалось бы справиться с новыми задачами при помощи ЭВМ?" Оказывается, нет, и в ближайшем будущем тоже нет. Сейчас ЭВМ способна решать только одномерные задачи, скажем, рассчитать последствия точечного взрыва без выброса. Только-только начинается штурм двумерных задач: действия заряда с выбросом. Трехмерная задача - действие заряда с выбросом на склоне - недоступна самой быстродействующей ЭВМ с самой большой памятью. А задача с групповыми зарядами?!

Ученые направились по экспериментальному пути и обрели аналоговую машину - так называется камера для моделирования, которая блестяще справилась с космическими задачами взрывного дела. Сначала были проверены - уже проведенные промышленные взрывы: Алтын-Тапканский - 1840 тонн, Байничанский - 700 тонн, Алма-Атинский, первая очередь, - 5300 тонн, Байпазинский - 2000 тони. А затем на модели составили прогноз будущей работы взрывчатых веществ на реке Бурлыкия, он полностью подтвердился. Следующий прогноз касался ущелья реки Ax-Су, что в 70 километрах от Махачкалы. Там 600-тонный взрыв создал одну из самых высоких в мире камненабросных дамб: высота 85 метров. И опять кинокадры натуры и модели оказались близнецами.

Не следует думать, что возможности песка, совочка и резиновых пузырей были обнаружены сразу, что ученым удалось быстро создать аналоговую машину в так просто, как рассказано вначале, снимать кинофильмы-прогнозы. Создание из песка гор и долин, размещение в них стоек с резиновыми оболочками, наполнение воздухом в нужном количестве - за всеми этими внешне простыми действиями стоят многочисленные эксперименты и тонкие расчеты. Процесс моделирования потому так прост, что основан на сложном анализе гигантских взрывов.

Скажем, почему исследователи предпочли песок в первых опытах какому-либо другому материалу? Ответ на этот вопрос - целая глава исследований. Наблюдая взрывы в 100 тысяч тонн, ученые заметили, что вздыбленный грунт движется очень медленно, в масштабах взрыва, конечно. Купол из него развивается в течение многих секунд - столько времени держат его расширяющиеся газы. Но какую же работу в таком случае делает волна сжатия, та первая атакующая линия взрыва, которая начинает разрушение грунта? Время ее действия - миллисекунды. Получилось, что она сработала, только начала действовать, а основную работу оставила расширяющимся газам. Иными словами, волна сжатия дробила грунт, а они переносили его. При небольших взрывах такого разделения труда никто не наблюдал. Гигантские масштабы препарировали взрывной процесс.

Отсюда последовал вывод: моделировать следует только вторую фазу - она определяющая. А результаты первой фазы заложить в модель заранее - представить на ней итог работы волны сжатия, то есть раздробленный грунт. Его роль наилучшим образом исполнял песок, а Действие взрывных газов - сжатый воздух, заключенный в резиновые оболочки.

В лаборатории под руководством академика М. А. Садовского рассматривался проект возведения уникальной плотины Камбаратинской ГЭС на реке Нарын. Химическое взрывчатое вещество здесь предполагается распределить в штольнях различной длины (до 300 метров). Как экономнее распорядиться взрывчаткой? Оправдают ли удлиненные заряды возлагаемые на них надежды? Растягивать их можно не бесконечно. Известны случаи с неудачными результатами - из-за чрезмерной протяженности заряда. Несколько раз опыты на модели вносили поправки в готовые проекты.

Но предположим, 300-метровые штольни подходят. Проект получается очень дорогим: больших денег стоит само взрывчатое вещество и проходка вместительных горных выработок! Эксперименты на модели показывают, что дешевле использовать более мощный "порох" - ядерные заряды. Использование энергии мирных ядерных взрывов экономит огромные средства. В этом случае отпадает надобность в длинных штольнях. Мощь, необходимую для постройки плотины, удастся сконцентрировать в нескольких камерах.

Не только плотины на реках появляются за стеклом иллюминатора. Там можно было увидеть Баксанское ущелье Кавказа и гору, в которой скрыто Тырныаузское месторождение. Только на модели гора была без верхушки: ее срезали и аккуратно перенесли в нужное место лопнувшие резиновые пузыри. Их было всего восемь. Три из них сработали первыми и образовали воронку, а остальные - чуть позже. Они уложили в готовую воронку горный пик. На его месте возникла полость - будущий карьер, который должен заменить существующие сейчас подземные горные выработки. Так на модели отрабатывается метод подсечки, когда заряды отделяют грунт от массива, а перемещается он силой тяжести.

Тырныаузское месторождение

Тырныаузское месторождение скрыто в горах, там оторванной массе есть куда падать. Но, оказывается, взрывом можно создать карьер и на ровной площади. Нерюнгринское месторождение углей находится в районе Байкало-Амурской магистрали. Здесь на глубине около ста метров лежат пласты превосходных углей. Чтобы вскрыть их горными машинами, требуется несколько лет. Модель продемонстрировала новый способ вскрыши: сначала создать воронку, а затем в нее перебросить чехол, скрывающий уголь.

Здесь на глубине около ста метров лежат пласты превосходных углей. Чтобы вскрыть их горными машинами, требуется несколько лет

Во время проведения мощных натурных взрывов ученым приходилось наблюдать, как следом за взрывами в движение приходили участки земной коры. Скажем, взрыв кончился, а большие массы горных пород вдруг смещаются. Причем энергия, затраченная на это, в десятки раз превышает ту, что ввел в действие человек. Капли искусственной мощи как бы переполняли чашу природной энергии, взрыв оказывался спусковым механизмом для недр. Запасенная ими энергия получала выход.

Ученые Института физики Земли считают, что ее надо привлечь на службу. Нужно перед взрывами учитывать состояние горных массивов и пытаться направить скрытые в них напряжения в нужную сторону. Например, склон, который предстоит подсечь в Тырныаузе, сам движется вниз со скоростью полметра в год. Следует учесть это.

И уже о будущем: не смогут ли взрывы по частям высвобождать энергию готовящихся землетрясений, выпускать подземного джинна постепенно?