Методы и средства изучения быстропротекающих процессов (при взрывном разрушении горных пород)

Московский 
государственный 
горный 
университет 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С О В Е Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
М О С К О В С К О Г О 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Пр 
едседатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МГГУ, 
чл. -корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсоветпа 

КВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. 
ХРОНИН 
профессор 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И 
ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

В.Л. Шкуратник 
А.С. Вознесенский 
И.В. Колодина 

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА 
ИЗУЧЕНИЯ 
БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ 
ПРОЦЕССОВ 
(при взрывном разрушении 
горных пород) 

Допущено 
Учебно-методическим 
объединением 
вузов Российской 
Федерации 
по образованию 
в области 
горного 
дела 
в качестве учебника 
для студентов 
вузов, 
обучающихся 
по 
специальности 
«Взрывное 
дело» направления 
подготовки 
дипломированных 
специалистов 
«Горное 
дело» 

Высшее 

горное 
образование 

МОСКВА 
ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
2005 

УДК 53.08.088:622ю233 
ББК 33.133 
Ш 6 6 

Федеральная целевая программа «Культура России (2001-2005 годы)», 
подпрограмма «Поддержка полиграфии и книгоиздания России (2002-2005 годы)» 

Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений Российской Федерации по образованию в области горного дела 
(письмо № 51-5916 от 31.05.2004) 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых. СанПиН 1.2.1253-3», утвержденным Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Р е ц е н з е н т ы : 

кафедра Информационные системы и измерительные технологии Московского открытого 
государственного университета (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Г.Г. Раннее), 
д-р техн. наук Е.М. Рукин (Всероссийский научно-исследовательский институт 
оптико-физических измерений) 

Шкуратник В.Л., Вознесенский А.С., Колодина И.В. 

Ш 66 
Методы и средства изучения быстропротекающих процессов: 
Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 309 с : ил. 

ISBN 5-7418-0353-9 

Изложены вопросы методического и аппаратурного обеспечения регистрации и 
измерения параметров быстропротекающих процессов, сопровождающих взрывное 
разрушение горных пород. Рассмотрены основные закономерности формирования и 
распространения упругих колебании и волн, используемые для экспериментального 
исследования явления взрыва, механизмов и последствий его воздействий на окружающую среду. Описаны методы и технические средства измерения параметров быстропротекающих процессов во временной и спектральной областях на основе электрических измерений неэлектрических величин, а также способы изучения указанных процессов с использованием высокоскоростной фотографии и кинематографии. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Взрывное дело» направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело». Может быть рекомендован также научным и инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами измерения и контроля в горном деле. 

УДК 53.08.088:622ю233 
ББК 33.133 

ISBN 5-7418-0353-9 
© В.Л. Шкуратник, А.С. Вознесенский, 

И.В. Колодина, 2005 
© Издательство МГГУ, 2005 
© Издательство «Горная книга», 2005 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2005 

ВВЕДЕНИЕ 

Регистрация и измерение пространственно-временных параметров быстропротекающих процессов является необходимым и важнейшим элементом решения 
самых разнообразных динамических задач в горно-добывающей, энергетической, 
химической, авиационной и других отраслях промышленности. 

В частности, для горно-добывающей промышленности особое научное и практическое значение имеет изучение однократных неповторяющихся быстропротекающих процессов, сопровождающих взрыв и взрывное разрушение горных пород. Это связано прежде всего с тем, что такой вид разрушения был и остается 
преобладающим в горном деле, особенно при разработке скальных массивов. 

В рамках физики взрыва остается еще немало нерешенных научных проблем и 
чисто практических задач, связанных с совершенствованием техники и технологии взрывных работ на горных предприятиях. Причем взрыв относится к тем 
сложным динамических явлениям, изучение механизма и закономерностей которых невозможно на основе чисто теоретических подходов. Этот процесс требует 
обязательного привлечения экспериментальных методов исследования и соответствующих технических средств для их реализации. 

Специфическим требованием, предъявляемым к указанным методам и средствам, является их быстродействие, обеспечивающее возможность физических измерений параметров чрезвычайно быстрых процессов и явлений, то есть таких, 
для которых максимальный временной интервал /0, в течение которого исследуемый параметр можно считать постоянным, лежит в диапазоне КГ

1 2 - 10° с. В качестве примеров здесь можно привести: длительность излучения лазерных источников, достигающую значений 10~

12 с и менее при уровне мощности 10

9 Вт; 
время, за которое достигается температура более 10

6 К при термоядерном синтезе, 
составляющее менее КГ

9 с; время подъема давления, температуры и плотности 
при ударном сжатии в однородных жидких ВВ, таких, как нитроглицерин, имеющее порядок 1(Г

12 с; временной интервал, за который развивающаяся в стенке 
трещина увеличивает свой размер на 1 мм, составляющий примерно 1(Г

5 с. Еще 
одним примером может служить процесс детонации, протекающий со скоростью 
около 10 ООО м/с. При масштабе 1:1 регистрация такого процесса с нерезкостью от 
движения объекта, не превышающей 1 мм, должна осуществляться за время не 
более 10~

7 с. 

Для того, чтобы соответствующие приборы корректно регистрировали и измеряли параметры столь кратковременных процессов и отдельных их фрагментов, 
длительность их переходных процессов должна быть намного меньше величины 
t0. Этому достаточно жесткому условию удовлетворяют, как правило, лишь специально разработанные технические средства, получившие название средств измерения быстропротекающих процессов. Последние реализуют осциллографические, электронно-оптические, оптико-механические, электрические и другие методы измерений, многообразие которых обусловлено, в частности, тем, что носи
5 

телями информации о быстропротекающих процессах являются как сопровождающие их разные виды излучений (оптические, электромагнитные, акустические 
и др.), так и пространственно-временные изменения свойств и состояния объектов, 
где эти процессы протекают. 

Роль измерений и контроля при взрывном разрушении горных пород, конечно 
же, не ограничивается задачами изучения взрыва как физического явления. Существует и ряд других чрезвычайно важных измерительных задач, без решения ко­
торых невозможно эффективное и безопасное ведение горных работ с использованием энергии взрыва. Далеко не полный перечень таких задач включает оценку 
структурных особенностей и свойств горных пород, подлежащих взрыванию, и 
состояния взрывных скважин; определение фактических параметров разрушения 
горных пород в результате взрывного воздействия; исследование сейсмического 
действия взрыва и др. В связи с этим следует иметь в виду, что содержание настоящего учебника отражает лишь тот ограниченный круг вопросов, изучение 
которых предусмотрено программой дисциплины, одноименной с его названием. 

В заключение необходимо отметить, что в горной практике, кроме взрывных, 
существуют и многие другие процессы, которые могут быть отнесены к разряду 
быстропротекающих. Это, например, природные и техногенные динамические 
явления в массиве и выработках (землетрясения и горные удары, выбросы угля и 
газа, обрушения кровли), ударное взаимодействие породоразрушающего инструмента с массивом и др. Таким образом, изложенные ниже вопросы должны представлять определенный интерес и для более широкого круга специалистов в области горного дела. 

ФИЗИЧЕСКИЕ 
ЗАКОНОМЕРНОСТИ 
РАСПРОСТРАНЕНИЯ 
УПРУГИХ ВОЛН 
ПРИ ВЗРЫВАХ 

1.1. Природа упругих волн. 
Взаимосвязь волнового и колебательного 
процессов 
1.2. Общая характеристика колебательных 
процессов 
1.3. Гармонический осциллятор. Уравнение 
колебаний 
1.4. Энергия свободных незатухающих 
колебаний 
1.5. Свободные затухающие колебания 
1.6. Упругие волны в безграничной 
среде 
1.7. Волновое уравнение 
1.8. Отражение, преломление, 
интерференция, дифракция и рефракция 
упругих волн 
1.9. Методы и средства определения 
скоростей распространения 
упругих волн в горных породах 
1.10. Взрыв как источник упругих волн 
в массиве горных пород 

1 

Для экспериментального исследования явления взрыва, механизмов и последствий его действия на окружающую среду используются различные вторичные эффекты, возникающие вследствие 
быстрого выделения в ограниченном пространстве значительного 
количества энергии. Важнейшим среди этих эффектов является относительно кратковременное нарушение механического равновесия упругой среды, в результате которого ее частицы вовлекаются 
в движение, направленное наружу от взрывного источника. Указанное движение приводит к возмущениям в среде, передающимся 
от частицы к частице в виде так называемой взрывной волны. Причем характер и интенсивность этих возмущений в общем случае 
будут являться функцией свойств источника и среды, а также координат и времени. Отсюда следует принципиальная возможность 
изучения взрыва и его последствий на основе пространственновременных измерений параметров взрывной волны и интерпретации этих измерений с учетом закономерностей волновых процессов в среде. 

Природа упругих волн. 
Взаимосвязь волнового 
и колебательного процессов 

По своей природе взрывные волны являются упругими, то есть 
представляют собой возмущения, распространяющиеся в материальной среде, обладающей свойствами упругости 
и 
инерционности. Суть первого из указанных свойств заключается в способности жидких и газообразных сред оказывать сопротивление изменению объема, а твердых (модуль сдвига которых не равен нулю) изменению объема и формы. Инерционность определяется плотностью упругой среды и проявляется в том, что каждая из ее частиц, 
лежащих на пути распространения волны, повторяет движение 
предыдущей частицы (расположенной ближе к источнику возбуждения) с некоторым запаздыванием. 

Понятие «частица» здесь и далее будет пониматься нами как 
элементарный объем среды, обладающий свойствами миниатюрной колебательной системы. Совокупность частиц, соединенных 
друг с другом упругими связями, - удобное модельное представление, позволяющее наглядно объяснить образование 
распространяющейся в среде упругой волны. При этом не следует забывать, 
что в акустике среду считают сплошной и непрерывной, отвлекаясь 
от ее реального строения на микроуровне. 

Пусть под влиянием создаваемых внешним источником деформаций одна из частиц среды выводится из положения равновесия. 
Силы, действующие со стороны соседних частиц, будут возвращать ее в исходное состояние. Но теперь уже сами эти соседние 
частицы в соответствии с законом равенства действия и противодействия выйдут из положения равновесия. Однако произойдет это 
с некоторым обусловленным инерционностью среды запаздыванием. Таким образом, колебательное движение частиц будет перемещаться от одной точки среды к другой, все дальше удаляясь от 
первичного источника деформаций. Указанное перемещение составляет суть волнового движения. 

10 

Отметим, что в процессе волнового движения частицы среды не 
перемещаются вместе с волной, а лишь совершают колебательное 
движение около своего положения равновесия. Этот факт наглядно 
иллюстрируется поведением любого легкого предмета, находящегося на поверхности воды, в которой распространяется волна. Совершая колебательное движение, он будет подниматься и опускаться, но не перемещаться в направлении распространения волны. 
В то же время, очевидно, что последовательное возбуждение частиц на пути распространения волны возможно, только если каждая 
из них в определенный момент времени будет выполнять функции 
источника деформаций и, колеблясь, отдавать энергию во внешнюю среду. 

Таким образом, упругая 
волна 
представляет собой процесс распространения возмущения (изменения состояния) упругой среды, 
сопровождающийся переносом энергии без переноса вещества. 

Из рассмотренной выше модели следует, что волны тесно связаны с колебаниями, поскольку они взаимно порождают друг друга.