Оценка разрушающей способности взрывов и безопасности человека от ударной волны

На основании значительных исследований на базе реальных повреждений типовых зданий и промышленных сооружений, вызванных ударными волнами при взрывах ВВ, широко используется в мировой практике формула, устанавливающая зависимость массы заряда взрывчатого вещества m (эквивалентна энергии взрыва Е) от расстояния R, соответствующего расстоянию от места взрыва до объекта разрушения:

(5.1).

где К — константа соответствующего уровня разрушения.

При массе m >5000 кг формула (5.1) принимает вид.

или. (5.2).

Известные и найденные по характеру разрушений тротиловые эквиваленты позволяют определить энергию взрыва Е различных ВВ. Однако при этом следует учитывать и конкретные условия взрыва.

Известно, что первоначально вся энергия сосредоточена в источ-нике в форме потенциальной энергии. В момент взрыва она переходит как в тепловую и кинетическую энергию различных областей и фрагментов системы, так и в энергию излучения.

Энергия волны взрыва как движущейся части газовой среды складывается из тепловой энергии.

(5.3).

и кинетической.

(5.4).

где r — плотность ВВ;

С — теплоёмкость;

q0, q — начальная и конечная температуры;

V — объём волны.

На поздней стадии развития процесса суммарная энергия волны Е=ЕТ +ЕК оказывается величиной постоянной и не изменяется во времени. Это постоянство на стадии слабого взрыва характерно для всех взрывных процессов. При взрывах конденсированных ВВ на образование воздушной ударной волны расходуется практически вся (более 90%) энергия взрыва.

Ориентировочные значения энергетических показателей взрывоопасности Е, m, QВ и R 0определяют по зависимостям, приведенным в [34], или другими уточненными методами, исходя из конкретных условий. Из уравнения энергетического баланса ударной волны с учётом конкретных условий определяют реально возможный эквивалент ТНТ (тринитротолуола), а по закономерностям «кубического корня» (зависимость (5.2)) — реальные расстояния R соответствующих уровней разрушения, площади, описываемые этими радиусами, а также другие параметры воздействия ударной волны на объекты.

Выделяется пять зон опасности, соответствующих следующим значениям константы К (формула (5.1)):

• 1) К =3,8 — полное разрушение зданий;
• 2) К =5,6 — 50%-ное разрушение зданий;
• 3) К =9,6 — разрушение зданий без обрушения;
• 4) К =28 — умеренное разрушение зданий с разрушением дверей, оконных переплетов, кровли, внутренних перегородок;
• 5) К =56 — малые повреждения с разрушением «10% остекления.

Более точно разрушающую способность взрывов можно характеризовать избыточным давлением, воздействующим на объект. В таблице 5.1 приводятся уровни разрушения некоторых зданий и соответствующие им избыточные давления, при которых достигается данная степень разрушения.

На рисунке 5.1 изображена соответствующая зависимость избыточного давления и приведенных расстояний [2]. Определение разрушающей способности по тротиловому эквиваленту и совмещению зависимостей радиуса разрушения и избыточного давления от приведенного расстояния является приемлемым и широко используемым для оценки взрывов.

Несмотря на некоторую неадекватность высвобождения энергии различными энергоносителями, метод совмещения энергетического эквивалента ТНТ и основных принципов «кубического корня» позволяет достаточно точно прогнозировать уровни возможного разрушения при взрывах на технологических объектах.

Таблица 5.1 — Уровни разрушения некоторых зданий при соответствующем избыточном давлении ударной волны.

Рисунок 5.1 — Зависимость давления Р на фронте ударной волны при взрыве ВВ от приведенного расстояния (R /m 1/3).

Для практических расчетов безопасности в конкретных условиях можно оценить максимальное избыточное давление, при котором объект (здание, сооружение) будет сохранять еще необходимую устойчивость. Непревышение этого давления может быть обеспечено соответствующим безопасным расстоянием RВ (от источника взрыва до объекта) или при известном расстоянии RВ уменьшением энергетического потенциала. При этом для больших значений массы m >4000 кг используется принцип Хопкинсона RВ =К m 1/3. Однако при малых значениях m показатель степени существенно изменяется в зависимости от массы m и находится в пределах от 1/3 до 2/3. Этим объясняется то, что в ряде стран (США, Англия, Франция) используют показатель степени ½ при определении безопасных расстоянийRВ.

При зарядах ВВ меньше нескольких тонн расстояния RВ будут несколько меньше расстояний, рассчитанных по кубической зависимости. Так, для m <100 кг расстояния RВ почти не имеют значения в целом. На рисунке 5.2 приведена зависимость значений безопасных расстояний RВ для зданий от массы m, которая может быть использована для выбора безопасных условий в случае конкретных технологических объектов.

Рисунок 5.2 — Зависимость безопасных расстояний R В от массы взрывающихся зарядов m.

Для оценки предполагаемого уровня разрушений широко применяют графический метод оценки разрушающей способности ударных волн с помощью диаграмм влияния давления взрыва Р (кПа) и импульса взрыва i (кПа· с), построенных с помощью уравнения (5.3). Примером такой диаграммы является диаграмма Pi (рисунок 5.3) для трех степеней разрушения кирпичных зданий: 1 — минимальные пов-реждения; 2 — значительные разрушения; 3 — частичные разрушения (от 50 до 75% стен разрушено или находится на грани разрушения). Степень повреждения объекта увеличивается с ростом давления и импульса; при этом не обязательна конкретизация источника, от которого получена ударная волна. Диаграмма Pi применима для оценки возможного уровня разрушения кирпичных зданий, административных построек, легких промышленных сооружений каркасной конструкции с прочностными характеристиками, приближающимися к характеристикам кирпичных зданий. По диаграмме Pi можно установить степень повреждения конструкции при известных комбинациях значений P и i. Кривые на диаграмме представляют собой линии равной степени повреждения объектов и определяют комбинацию этих значений, необходимую для получения заданной деформации. Если на объект действуют нагрузки со значениями амплитуды и импульса, изображаемыми точкой, расположенной выше кривой, то данный объект будет поврежден, так как в этом случае деформация превысит критические значения. Для выбора безопасных условий точка, отражающая соответствующие значения давления Р и импульса i, должна лежать ниже кривой. Вертикальная часть кривой характеризует импульсный режим нагружения (А), и для того, чтобы отклониться от линии равных степеней повреждения, необходимо изменить импульс i, поскольку изменение амплитуды нагружения не влияет на состояние объекта. Горизонтальная часть кривой — квазистатический режим нагружения (В), и здесь для отклонения от линии равных степеней повреждения необходимо изменение амплитуды.

Рисунок 5.3 — Диаграмма Рi. 1 — граница минимальных повреждений; 2 — граница значительных повреждений; 3 — частичное разрушение зданий (от 50 до 75% стен разрушено) В области низких давлений взрыва (Р <40 кПа) преобладает квазистатический режим нагружения объектов, и за основной критерий опасности их разрушения необходимо принимать избыточное давление ударной волны. В областях высоких давлений при i>0,6 кПаЧс, когда преобладает импульсный режим нагружения объектов, за основной критерий следует принимать импульс взрыва.

Для оценки разрушающей способности ударных волн и устойчивости объектов широко используют Piдиаграммы в сочетании с кривыми зависимости параметров взрывных волн от тротилового эквивалентаdт (энергетического потенциала Е) и расстояния от энергоносителя до объекта R, нанесенными в виде сетки на диаграммы. Сетка кривых Rdт, как показано на рисунке 5.4, позволяет определять различные комбинации энергии взрыва и расстояния от энергоносителя, соответствующие нагрузкам, при которых достигается заданный допустимый уровень повреждения зданий (конструкций). Кривая равной степени повреждения 1 на диаграмме Pi (см. рисунок 5.4) показывает, что к одинаковому разрушающему эффекту приводят энергоносители, эквивалентные 1/8, 1/7, ½, 1 и 2 кг ТНТ на расстояниях соответственно R =0,43; 0,85; 1,33; 2 и 3 м.

Такие диаграммы справедливы только для данной степени повреждения конструкции. В сложных объектах для каждого элемента конструкции, который имеет свой уровень устойчивости, на графике наносят несколько диаграмм Pi (рисунок 5.5) различных уровней повреждения (например, I и II). Это необходимо для того, чтобы учесть уровень всех возможных повреждений и предусмотреть меры, исключающие развитие аварий.

Рисунок 5.5 — Диаграмма Рi для оценки устойчивости (уровней разрушений) сложных объектов с разнопрочными элементами (конструкциями) Таким образом, безопасные расстояния по действию воздушной ударной волны от взрыва заряда ВВ на земной поверхности регламентируются Едиными правилами безопасности и могут быть вычислены по формулам (5.1), (5.2).

Радиус зоны безопасности по действию воздушной ударной волны на человека определяется как.

(5.5).

где m — масса заряда, кг.

При наличии блиндажа радиус rmin может быть уменьшен в 1,5 раза. Предельная величина заряда при ведении взрывных работ вблизи зданий и сооружений.

(5.6).

где r ф — фактическое расстояние от места взрыва до охраняемого объекта, м.

При подземных массовых взрывах опасные расстояния по действию воздушной ударной волны могут быть определены в зависимости от величины давления в ней [38]:

(5.7).

где m — масса заряда, кг;

h у — коэффициент перехода энергии взрыва в воздушной ударной волне, значение h у от 0,005 до 0,1;

R — длина выработки, м;

Ss — суммарная площадь сечения выработок, сообщающихся с выработкой, в которой размещен заряд, м2 ;

b — коэффициент сопротивления выработки;

— приведенный диаметр выработки, м;

n — показатель действия взрыва.

Формула (5.7) справедлива для промышленных ВВ с удельной энергией взрыва около 4300 кДж/кг (аммонит 6ЖВ). Для других ВВ массу заряда следует умножить на отношение удельных энергий используемого ВВ и аммонита 6ЖВ. Если принять максимально допустимую для человека величину давления воздушной ударной волны равной 20 кПа, то из выражения (5.7) может быть также найдено минимальное безопасное расстояние по действию ее на человека.

Зоны, опасные для людей по разлету отдельных кусков взорванной породы, в зависимости от показателя взрыва n и линии наименьшего сопротивления (ЛНС) приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 — Зоны, опасные для людей по разлету породы, в зависимости от показателя взрыва n и ЛНС.

Безопасные расстояния при передаче детонации между зарядами ВВ при взрывных работах рассчитываются по формуле, предложенной И. И. Таммом и М. Л. Радовским:

(5.8).

где К — коэффициент, зависящий от типов ВВ активного и пассивного зарядов (для тротила К =1,5, для аммонита 6ЖВ К =0,65);

m — масса активного заряда, кг;

Dэ — эффективный размер пассивного заряда, принимаемый равным его ширине при удвоенной высоте, м.