Ядерные испытания в СССР

Исследования процессов воздействия ядерного взрыва на горную породу (массив) в ближней зоне начались одновременно с подземными испытаниями, в результате чего был накоплен значительный экспериментальный материал.

Результаты воздействия взрыва на массив Семипалатинского полигона проиллюстрируем на примере обследования штольни 507 (опыт 08.12.67). Энергия взрыва находится в диапазоне 0,001 -20 кт. По результатам инженерно-геологических и геофизических исследований специалистов полигона, геофизиков Гидроспецгеологии и Центрального физико-технического института МО можно выделить следующие зоны разрушения горного массива.

1. Зона дробления.
Выделяется по крайне неустойчивому состоянию штольни (на грани обрушения). Образцы породы при ударе молотком разрушаются до щебня и дресвы. Значения средних скоростей продольных волн V_л = 1,1-1,4 км/с, трещинная пустотность, которая является суммой пористости и трещиноватости массива, составляет К_тр = 33-44%.
Радиус зоны дробления составляет 26-35 м/кт^1/3.
По результатам сейсмопросвечивания установлено, что столб обрушения составляет не более 65 м.

2. Откольная воронка.
Простирается до ~ 100 м от эпицентра, максимальная мощность откола - до 40 м. Зона характеризуется V_л = 1,4-2,0 км/с, К_тр = 24-33%; в инженерно-геологическом плане - наличием воронки.

3. Зона интенсивной трещиноватости.
Простирается вдоль штольни до отметки ПК - 140-150 м от центра взрыва; на поверхности простирается на 190-300 м от эпицентра, имеет эллипсоидальную форму.
Зона характеризуется V_л = 1,6-2,4 км/с, К_тр = 14-28%, в инженерно-геологическом плане - наличием крупных техногенных трещин с раскрытием до 15 см по штольне и до 30 см на дневной поверхности.

4. Зона блоковой трещиноватости.
Интервал ПК-150-175 м является переходным от зоны интенсивной трещиноватости к зоне блоковой трещиноватости (подзона I). Характеризуется средними граничными скоростями V_г = 2,5-4,2 км/с (значения V_г отличаются от Vл на 3-5% и зависят от способа регистрации), К_тр = 4-8%.
Интервал ПК - 175-522 м (подзона 2) характеризуется V_г = 3,5-4,5 км/с, К_тр = 1-5%, малым количеством техногенных трещин.

В настоящее время имеются данные о результатах сейсмопросвечивания скального массива до и после ПЯВ по трем штольням и одной скважине. По результатам обследования указанных объектов и штольни 507 можно сделать следующий вывод: в результате сейсмовзрывного воздействия ПЯВ на скальный массив возможно как уменьшение, так и увеличение скорости распространения продольных волн. По характеру этого изменения можно выделить в массиве три области.

В непосредственной близости от центра взрыва (в зонах дробления и интенсивной трещиноватости) наблюдается уменьшение скорости распространения продольных волн. Это объясняется тем, что здесь порода подвергается сильному механическому воздействию, в результате чего дробится и разуплотняется.

В зоне блоковой трещиноватости возможно как уменьшение, так и увеличение скорости распространения продольных волн. Это происходит, видимо, потому, что, наряду с появлением новых трещин, происходит уплотнение массива из-за механического действия ПЯВ. Уплотнение должно наблюдаться в породах, не имеющих свободной поверхности, то есть подверженных всестороннему обжатию.

В зоне выветривания наблюдается уменьшение скорости распространения продольной волны из-за того, что вследствие откольных эффектов происходит разуплотнение породы. Одновременно наблюдается тенденция к увеличению глубины подошвы зоны выветривания.

На полигоне Новая Земля детальных обследований и вскрытий штолен за пределы вторых забивок не делалось. В 1973 г. было произведено вскрытие термоэлементов в штольне А-6 и экспериментально определена эффективная проницаемость массива и второй забивки, которые подверглись действию волны сжатия.

Первый подземный ядерный взрыв в СССР был осуществлен на Семипалатинском полигоне в штольне В-1 (11.10.61). Для изучения радиационных и механических эффектов подземного взрыва была организована горная проходка в центр полости, куда исследователи ПромНИИПроекта, Радиевого института им. В.Г.Хлопина и полигона (А.М.Матущенко, Ю.В.Дубасов) смогли подойти в августе 1964 г. К этому моменту начальная полость взрыва оказалась заполнена обрушенной породой. Поэтому при первых обследованиях казалось, что выработка или еще не дошла до полости, или сильно отклонилась от намеченной цели. Однако после того, как была дважды выполнена маркшейдерская съемка, показавшая, что именно это отметка является точкой заложения заряда, сомнения исчезли. Осмотр выработки в зоне полости показал, что ее сечение резко увеличилось, а после уборки обрушившейся породы показался купол высотою 7-8 м. Обнаруженные среди обрушенной породы стеклообразные радиоактивные образцы представляли собой ярко выраженные натечные образования массивного стекла. Длина отдельных натеков-сосулек достигала 4-5 см. Переход от плотно спрессованной мелко раздробленной породы к крупным блокам неизмененного гранита объемом несколько м³, а также наличие образцов застывшего расплава, стекавшего со стенок полости, давали основания считать, что граница полости находится на расстоянии 8 м от центра взрыва.

Повышение уровня радиации до 0,2 мР/час началось в 70 м от центра взрыва. В дальнейшем при проходке выработки уровень радиации менялся от 1 до 25 мР/час. Максимальные значения в 25 мР/час отмечались на удалении 34 м от центра взрыва и на границе полости. В центре полости величина мощности экспозиционной дозы (МЭД) составила 10 мР/час. Высокий уровень радиации в районе отметки 34 м был обусловлен наличием в стенке жилы застывшего расплава шириной до 40 см и протяженностью 6 м вдоль стенки. В этой жиле была обнаружена деформированная по краям оплавленная металлическая труба длиной 30 см, весом 1 кг. На участке 12-6 м резко возросло количество обнаженных мелких (1 см) и средних (до 10 см) жил стекловидной массы.

Следующим взрывом, в полость которого была организована горная проходка, был взрыв в штольне 504П, проведенный также в массиве Дегелен на Семипалатинском полигоне 29 октября 1968 года. Обходная горная выработка соединилась с полостью через 457 дней после взрыва (зимой 1970 г.). Первое обследование механических и радиационных параметров было выполнено специалистами полигона (А.М.Матущенко) и ПромНИИПроекта. Последний участок забоя при проходке был вброшен в полость и поэтому на навале обрушенной породы образовалась дополнительная насыпь. К удивлению и радости исследователи увидели почти сохранившуюся полость. Она оказалась наполовину засыпана обрушенной со стенок и свода породой.

А.М. Матущенко

Детальное обследование полости взрыва в штольне 504П с отбором проб проводилось сотрудниками Радиевого института им. В.Г.Хлопина, полигона, ПромНИИПроекта и Института прикладной геофизики им. Е.К.Федорова в 1971 и 1972 гг. Нижняя часть полости на высоту 3 м оказалась заполненной радиоактивным монолитным темным стеклом с зеленоватым отливом, напоминающим обсидиан. Шаровой сегмент с застывшим расплавом был прикрыт мощным слоем обрушенной породы с обломками разных размеров. В своде полости прослеживались трещины мощностью до нескольких сантиметров, заполненные расплавом породы. Большая часть видимой поверхности полости на высоту до 4 м от экваториальной плоскости покрыта расплавом, имеющим вид сталактитовых натеков, то есть отчетливых следов течения в виде застывших потоков и сосулек. Мощность корки стекла варьировала в пределах 1-20 см. Стекло пузыристое, газовые пустоты ориентированы длинной осью в направлении течения. Размеры газовых пустот до 2 см, объемная плотность стекла ~600-1400 кг/м³. Цвет стекол менялся от белого, светло-серого, зеленоватого до темно-зеленого с участками коричневого и черного цвета. Встречались образцы голубого стекла. В периферийной зоне полости в противоположной стороне от обходной выработки собралось значительное количество воды (вероятно более 10 м³), глубина "озера" была более 2 м, зеркало воды находилось на уровне основания обходной штольни. Мощность экспозиционной дозы вплотную к оплавленным стенкам варьировала в пределах 20-40 мР/час, на навале обрушенных пород она составляла около 20 мР/час.

За пределы полости расплав вышел в виде единичных отдельных тонких прожилков на расстояние не более 7 м от границы полости. Выход расплава отмечался как по образованным в результате взрыва, так и по унаследованным трещинам исходной тектонической зоны. Вблизи границы полости преобладали вновь образованные, а на удалении - первичные трещины. При анализе степени загрязнения массива использовались: гамма-каротаж, спектрометрический гамма-каротаж, радиометрическое опробование, гамма-профилирование, спектрометрическое опробование в сочетании с радиометрическим опробованием.

Определение концентрации трития в воде производилось с помощью двухканальной тритиевой установки разработки ПромНИИПроекта (в ряде опытов измерения проводил ВНИИЭФ).

Концентрации радиоактивных изотопов в пробах породы из котловой полости на февраль 1973 г. составляла:

Ce-144, Ru-106, Cs-137 - 10^-6 Кюри/кг,

Co-60, Cs-134, Mn-54, Еu-152 - 10^-6 Кюри/г.

При обследовании в 1976-1977 гг. полости взрыва в штольне 148/5 (16.12.74 массив Дегелен) в полость было пробурено 8 скважин под различными углами и в различных направлениях. Бурение проводилось из обходной штольни с отметки 19 м от центра взрыва. Полость оказалась заполненной обрушенной породой, радиус полости равняется 9 м/кт^1/3. Обследовались и другие полости в граните.

В 1972 году на апатитовом месторождении Хибины был произведен ядерный взрыв I хозяйственных целях. Вмещающей породой является йолит-уртит (нефелин-пироксеновая порода). По физико-механическим свойствам она близка к гранитам, ее плотность 2800 кг/м³. Изучение центральной зоны проводилось с помощью многих специальных горных выработок как на горизонте проведения взрыва, так и ниже, и даже под полостью взрыва. Об следование центральной зоны выполняли сотрудники ПромНИИПроекта, Радиевого инсти тута и Государственного института горно-химического сырья (ГИГХС, Москва). Через 3 год< после взрыва одна из разведочных выработок (штрек №2) подошла к полости с севера под уг лом 90 градусов к штольне заложения. Полость оказалась заполненной обрушенной породой В нее можно было заглянуть, лежа на спине, едва проникнув в щель. Сохранились только не большие фрагменты стенки полости, покрытые слоем пузыристого коричневого расплав толщиной 40-60 мм. В полости наблюдались мощные концентрические, скорлуповидные околополостные трещины, многие из которых были заполнены шлаком. По границе полости по концентрическим трещинам произошли отколы. Были видны зеркала скольжения, круп ные (до 1,5 м в диаметре) с овальными гранями блоки породы и большое количество щебе ночного материала, заполнившего полость. В дальнейшем из этой же подходной выработки велось бурение скважин в полость. В результате исследований было получено значение радиуса полости 11 м/кт^1/3.

При проходке разведочного штрека №2 к полости взрыва на правой стенке штрека в 25 м от центра взрыва, а затем на кровле штрека в 16 м от центра были обнаружены прожилки пузыристого коричневого стеклоподобного вещества (расплава). Из-за высокой трещиноватости массива расплав был выброшен на расстояние до 50 м от центра взрыва.

Через 2 года 8 месяцев была вскрыта одна из полостей группового взрыва на объекте "Днепр-2", осуществленного 27 августа 1984 г. Поисковые выработки №1 и №2 подошли к полости с южного и северного направлений соответственно. Полость была заполнена обрушенной породой. С южной стороны полость просматривалась на глубину примерно до 30 метров. Обрушенная порода представляла сыпучую брекчию из глыб разного размера. В стенках полости сохранились отдельные прожилки застывшего расплава. С северной стороны, за небольшим исключением, картина полости была такой же. Радиус полости равен 11 м/кт^1/3.

Реальная геологическая структура массива в районе выработки существенным образом влияет на устойчивость штольни. Трудность заключается в том, что в настоящее время нет каких-либо устоявшихся критериев, учитывающих реальную геологическую обстановку. Например, ранее считалось определяющим влияние тектонических трещин на характер разрушения. Но сама тектоническая трещина на обрушение влияет слабо (она влияет на преломление и отражение волны сжатия), а основной вклад в обрушение вносит ослабленная порода вблизи тектонического нарушения. Л.С.Евтерев, И.В.Бригадин, А.Г.Карякин предложили для описания реального строения массива ввести параметр "блочности массива".

Реальный горный массив сложен из жестких и прочных блоков со слабыми связями между ними. Можно предположить, что степень устойчивости штольни зависит от линейных размеров блоков, описываемых петрогенетической трещиноватостью.

Величину блочности удобно выразить как средний поперечный размер элементарного блока, образованного петрогенетическими трещинами, по формуле:

После проведения подземных ЯВ методом бурения обследовалось 11 скважин. Дополнительно методом сейсмопросвечивания обследовалась скважина 110.

В результате ПЯВ мощностью 0,001-20 кт на глубине 375,5 м на 80 секунде после взрыва из скважины стала подниматься металлическая обсадная колонна. На 110 секунде суммарная длина колонны, сломавшейся во время вылета, достигла 245 м. Интенсивный выход радиоактивных продуктов взрыва (РПВ) происходил в интервале времени "Ч" + 60-110 с. Предположительно на 110 секунде слой глины, а его мощность достигала 40 м, перекрыл канал выхода РПВ на дневную поверхность.

При бурении через 3 года после взрыва в центральную часть в районе столба обрушения было обнаружено избыточное давление. Высота столба обрушения составила 36,8 м. Был сделан также вывод о возможном существовании в подсводном пространстве пустоты, заполненной водой, высотой до 3 м.

Методом откачки воздуха и воды два раза определялись показатели герметичности ненарушенного целика породы между столбом обрушения и зоной откола. При давлении воды до 30 атм коэффициент фильтрации составил ~ 10-5 м₃/сут.

При обследовании скважин 102 и 1053 было обнаружено аномальное увеличение столба обрушения в сторону от вертикальной оси. Так, при обследовании скважины 102 высота столба обрушения над центром взрыва была равна 90 м, а максимальная высота составляла 138 м.

Создатели и испытатели ядерных зарядов, ученые, занимающиеся проблемами воздействия взрыва на окружающую среду, всегда хотели получить пробы радиоактивных продуктов из центральной зоны взрыва, проведенного в скважине, и знать состояние горных пород после взрыва. Комплексное решение таких задач можно было осуществить бурением скважин и проходкой горных выработок в центральную зону.

Надо отметить, что бурение пробоотборных, или исследовательских, скважин (такое название получили скважины, которые бурились в зону взрыва) для скважинных и штольневых испытаний - это две принципиально различные технологические задачи. В конце 1965 года руководство Семипалатинского полигона включило в план работ партии №27. Второго гидрогеологического управления (Государственное геологическое предприятие "Гидроспецгеология") Министерства геологии СССР задание по отбору радиоактивных продуктов буровым способом из центральной зоны взрыва штольни 3-6. Первой же пробоотборной скважиной была скважина 106.

Всего за период с 1968 по 1976 гг. буровыми скважинами на Семипалатинском полигоне были изучены одиннадцать центральных зон скважинных взрывов (табл. 2.16), а из пяти штолен были извлечены радиоактивные продукты.

Все перечисленые скважины, кроме скважин 102 и 108, были пробурены партией №27, которую возглавлял Ю. Ф. Антоненко, а непосредственное руководство работами осуществлялось М. Л. Глинским.

Бурение скважин в полость взрыва осуществлялось с целью решения следующих проблем.

1. Определение основных параметров заряда: мощности, отношения мощности, выделившейся за счет реакции деления, к мощности, выделившейся за счет реакции синтеза при исследовании изотопного состава радиоактивных продуктов взрыва, находящихся в керновом материале.

2. Получение сведений о распределении радиоактивных продуктов в зависимости от их удаленности от центра взрыва и от типа материалоносителя радиоактивности. Экспериментальные данные такого рода служат для создания модели прогноза радиоактивного загрязнения в центральной зоне и миграции радиоактивности за ее пределы.

3. Изучение механического действия взрыва на окружающий горный массив путем сравнительного анализа гранулометрического состава кернового материала, данных промысловой геофизики и послевзрывных изменений проницаемости горного массива.

Перечисленная информация дает возможность выявить и классифицировать зоны деформации массива, а при достаточном количестве экспериментов в различных горно-геологических условиях - прогнозировать предполагаемые деформационные явления.

Следует отметить, что горно-геологическая обстановка, возникшая после взрыва, по своей сложности резко отличается даже от разрезов рудных месторождений, известных как наиболее трудно буримые. Такое обстоятельство лишило возможности создать необходимую методику бурения в центральную зону по аналогии с известными приемами проходки геолого-разведочных скважин в сложных условиях.

Собственно основы методики бурения скважин в таких невероятно сложных геологических условиях были созданы на основе обработки экспериментальных данных, полученных при бурении скважин на площадках 106 и 1053.

Основными требованиями в технологической схеме бурения скважин являются применение правильной компоновки низа колонны и организация рациональной схемы циркуляции промывочной жидкости. Классификация осложнений при бурении через столб обрушения была использована для разработки рекомендаций по борьбе с осложнениями, возникающими при бурении в центральной зоне взрыва.

В пяти штольнях были проведены работы по извлечению на поверхность радиоактивных продуктов буровым способом: 3-6 (1966 г.), Ж-3П (1966-1967 гг.), 506П (1969 г.), Ш-2 (1970 г.) и 25-ПП (1972-1973 гг.).

Суть работы состояла в том, что от устья штольни через тело второй забивки по подошве горной выработки прокладывалась колонна обсадных труб, которая в местах клиньев и забивки цементировалась.

Задача состояла в том, чтобы сразу после взрыва на приустьевой площадке быстро смонтировать буровой агрегат (применялся станок ЗИФ-1200 МР), "лежачую" талевую систему, рельсовые пути и циркуляционную систему, затем пробурить цементные пробки, выйти в пространство между забивками, отобрать и извлечь на поверхность радиоактивные продукты из промежутка между первой и второй забивками.

Это были не сложные, но трудоемкие и опасные задачи, в особенности, когда они были связаны с отбором экспресс-проб.

На одной из штолен (штольня 25-ПП) станок и все системы были смонтированы до взрыва. Буровая бригада в противогазах и костюмах Л-1, с приборами ДП-5 сразу же после взрыва вслед за радиометристами направилась к устью штольни и начала работы. Через 2-3 часа была извлечена первая проба. Но прибор ДП-5 зашкалил и работы пришлось прервать.

Хотелось бы отметить, что извлеченные на поверхность пробы пользовались большим спросом у всех, кто имел отношение к взрывам: у разработчиков зарядов, у специалистов полигона, у работников проектных институтов.

К 1976 году в партии №27 был накоплен достаточный опыт для решения задач экспрессного отбора проб из полостей взрывов. Надо отметить, что именно этот вопрос всегда беспокоил ученых, которые ссылались на положительный опыт американцев. Правда, приходилось учитывать, что взрывы в Семипалатинске и Неваде проводились в различной геологической среде, так как американцы проводили взрывы в сухой и однородной среде, а мы - в обводненных и разнородных по составу горных массивах. Эти факторы, а также подготовка части ствола пробоотборной скважины до взрыва позволяли американским исследователям довести время пробоотбора до 7-20 суток.

Наш путь, основывавшийся на подборе необходимой технологии в зависимости от состава пород, величины энерговыделения и глубины заложения изделия, требовал времени для отработки методики на основе накопленного опыта. В конечном счете представилось возможным разработать комплексную методику бурения исследовательских скважин в центральную зону скважинного ядерного взрыва, проведенного в скальных породах. Использование этой методики позволило в конкретных экспериментах в условиях Семипалатинского полигона определять время бурения пробоотборной скважины. На наш взгляд, при глубине заложения изделия на 400-600 метрах это время не должно было превышать 30 суток.

Работы по отбору проб буровым способом были приостановлены в 1976 году.

Что касается пробоотбора с помощью буровых скважин из центральных зон взрывов, проведенных в штольнях, то создание системы пробоотбора и монтаж бурового оборудования на устье штольни до опыта, сохранение целостности пробоотборной системы во время взрыва обеспечивали пробоотбор в течение 10-15 часов после взрыва.

В заключение этого раздела, в качестве иллюстрации подхода к оформлению документов, приводим копию одного из актов выполненных работ.

Первый взрыв мощностью 1,1 кт в соляном куполе вблизи поселка Б. Азгир Гурьевской области Казахской ССР проведен 22 апреля 1966 г. на глубине 161 м. Вертикальная скважина с отбором керна вошла в полость взрыва через 17 дней после взрыва. Затем 11 мая 1966 г., то есть через 19 дней, в полость на отметке 169,5 м вошла наклонно-горизонтальная скважина. Всего в полость вошло 6 скважин. Полость в течение нескольких дней заполнилась водой, а свод полости частично обвалился так, что высота от центра взрыва до свода составила 18 м, радиус полости по горизонтальной плоскости составил 14 м, а общий объем полости ~ 10000 м³. Обследование полости проводили сотрудники ПромНИИПроекта и Радиевого института им. В.Г.Хлопина, первоначальное бурение скважин осуществляли специалисты и буровики геологоразведочной партии №1 (ГРП-1) и Лисичанской конторы опытного наклонного бурения, а затем буровая организация из поселка Селятино Московской области (Минсредмаш).

Следующий взрыв А-II мощностью ~ 27 кт был осуществлен 1 июля 1968 г. на глубине ~ 600 м. Радиус полости оказался равным 32±0,5 м, а объем полости ~ 140 тыс. м³. В диапазоне 558—566 м в горловине полости просматривались трещины на глубину 6 м с максимальным раскрытием 1,5-2 м. Измеренная температура воды в полости равнялась ~ 41°С (измерения -декабрь 1977 г.). Профилирование скважины и полости делалось с помощью гидролокационной аппаратуры на глубине 50—592 м.

В последующем измерения геометрических размеров проводились во всех полостях взрывов А-II, А-IV, а также в полостях на объектах Вега, Лира и других. Геометрические размеры полости определялись как по данным разведочного бурения, так и с помощью гидролокатора и лазерного дальномера, спускаемого в полость (Г. Манзиенко с сотрудниками ПромНИИПроекта). Объем созданных в каменной соли полостей также измерялся путем закачки под давлением природного газа. Как правило, эти операции выполнялись сотрудниками институтов Мингазпрома и ПромНИИПроекта.

На основе полученных экспериментальных данных В. Б. Адамский с сотрудниками (ВНИИЭФ) предложили следующую формулу для определения объема полости в каменной соли:

Отметим, что непосредственно после взрывов («Ч» + 1 час) отбирались газовые пробы через заранее установленные трубы малого диаметра (38мм).

Все полости, кроме взрывов A-I и А-П, также вскрывались с помощью буровых скважин, но через несколько месяцев. К этому времени, если в полость не попадало больших масс воды, температура внутри полости была около 100°С.

Наиболее полное исследование застывшей расплавленной породы было выполнено на образцах, отобранных из полостей взрывов A-I, А-II, А-III и А-IV, проведенных на площадке «Галит».

В 1968 г. специалистами ВНИИЭФ было предложено проводить подземные взрывы так, чтобы образовавшиеся при взрыве радионуклиды и остаточное ядерное горючее выбрасывались по специальному каналу из полости в предварительно созданную горную выработку. После публикации в 1970—1971 гг. результатов взрыва Marvel обнаружилось некоторое подобие задуманных редакций взрывов при их различных целях. Специалистов США интересовали процессы распределения энергии при взрыве в цилиндрической симметрии, а советских ученых - управление распределением радионуклидов в горном массиве. Следует отметить, что в СССР в такой редакции было проведено 6 взрывов. Четыре взрыва на Семипалатинском полигоне: площадка Телькем - взрыв T-I (Е = 0,24 кт, 21 октября 1968 г.) и групповой взрыв Т-2 (Е = 0,24 кт × 3; 12 ноября 1968 г.), взрывы в массиве Дегелен — в штольне 148/1 (Е = 0,23 кт, 9 апреля 1971 г.) и в штольне 148/5 (Е= 3,8 кт, 16 декабря 1974 г.), а также два взрыва на объекте «Днепр» (около г. Кировска Мурманской области) — один взрыв мощностью 2,1 кт 4 сентября 1972 г. и 27 августа 1984 г. одновременный взрыв 2-х зарядов мощностью 1,7 кт. Взрывы с экскавацией грунта Телькем-1 и Телькем-2 были проведены в вертикальных скважинах, так, что ниже расположения заряда скважина оставалась свободной для того, чтобы образующиеся радионуклиды были вброшены еще дальше от поверхности земли и тем самым снизилась бы доля активности, выбрасываемой на поверхность вместе с грунтом. Остальные взрывы проводились в горизонтальных выработках - штольнях. Наиболее подробно исследованы взрывы в штольне 148/5 и на объекте «Днепр».

Схема проведения экспериментов в штольнях была примерно одинакова. Контейнер, содержащий заряд, соединялся с каналом выведения активности (КВА), представляющим собой трубу большого диаметра и длиной несколько десятков метров. Другим концом труба выходила в камеру захоронения (КЗ), являющуюся обычной горной выработкой.

Камера захоронения на объекте «Днепр-1» была вскрыта через 3,5 года после взрыва горной выработкой, подошедшей к ней сбоку. Обследование камеры захоронения проводили сотрудники ПромНИИПроекта, Радиевого института и ВНИИТФ. Детальное обследование было проведено еще и в 1978 г.

После взрыва произошло увеличение поперечного сечения камеры захоронения. Например, в забое высота кровли увеличилась с 4 м до 5—6 м. Вследствие обрушений свода основание камеры захоронения засыпало крупными обломками породы. Высота свода для большей части камеры захоронения составила 2,5—3,0 м. Высота навала обрушенных пород по направлению к центру взрыва возрастала и на расстоянии 25-30 м от центра взрыва обрушенные породы смыкались со сводом. Стенки камеры почти повсеместно, исключая зоны обрушения, покрыты застывшим расплавом всевозможных форм течения, иногда из них видны многочисленные застывшие капли и гранулы. В забое камеры видны потоки расплава, которые в сочетании со струями расплава, стекавшими со стенок камеры, образовали мощный карниз и лавовый поток, погребенный под навалом обрушенных пород. В обеих стенках на удалении 40 м и 70 м от центра взрыва ниже основания камеры обнаружены две ниши общим объемом 20—30 м³, заполненные на 30—40% застывшим расплавом. В лабораторных условиях проведено физико-химическое и радиохимическое исследование образцов расплава. По концентрации тугоплавких осколочных радионуклидов, делящегося материала, а также индикаторов установлено, что выброшенный в камеру захоронения расплав представляет собой смесь сконденсировавшейся испаренной породы, материалов заряда и расплава породы.

На основе данных радиохимического анализа рассчитано, что из полости взрыва в камеру захоронения выведено ~85% продуктов деления и делящегося материала. Труба, использовавшаяся в качестве канала КВА, за счет процессов абляции и растворения, смылась первой порцией испаренной и расплавленной породы общей массой 350-500 т. В 40 см от передней стенки контейнера с зарядом был установлен нерадиоактивный индикатор. Анализ образцов на его содержание показал, что индикатор растворился в 500 т испаренной и расплавленной породы. Расчеты, выполненные на основании данных радиохимического анализа, указывают, что из полости взрыва в камеру захоронения поступило всего 750+100 т испаренной и расплавленной породы. Петрографическое изучение образцов расплава из камеры захоронения дало основание считать, что расплавленная порода поступала в КЗ двумя порциями. Вероятно, что первая порция смыла весь материал трубы КВА и представляла собой испаренную породу и часть ударнообразованного расплава. Следующая порция представляла собой остальную часть ударнообразованного расплава и растворившегося в нем конденсата испаренной породы.

Во втором эксперименте «Днепр-2» камеры захоронения продуктов взрыва каждого заряда также должны были отвести продукты взрыва в сторону от дробимого взрывом блока апатитовой руды. Два заряда были разнесены на значительное расстояние, а камеры захоронения располагались под углом друг к другу и их забои почти смыкались, но были разделены перемычкой. Вдоль труб КВА были расставлены различные индикаторы абляции стенок КВА, а также индикаторы, с помощью которых можно рассчитать массу вещества, прошедшего через канал КВА. В камерах захоронения были установлены различные физические детекторы. Были помечены также зоны ударного и термического образования расплава. Вскрытие камер захоронения осуществлено в мае 1987 г., то есть через 2 года 8 месяцев после взрыва. Детально были обследованы обе камеры захоронения и измерительная выработка, сообщавшаяся с первой КЗ. Обследование выполняли сотрудники Радиевого института, ПромНИИПроекта и ВНИИТФ. Значения мощности экспозиционной дозы (МЭД) менялись от 10 до 250 мР/ч, за период обследования камер захоронения (три посещения) индивидуальная доза облучения составила примерно 1,2 бэр.

Стены и своды камер захоронения были почти повсеместно покрыты радиоактивным пузыристым шлаком черного и коричневого цветов, на полу камер лежал слой черного плотного стекла мощностью до 30—45 см. Такое же обсидианоподобное стекло мы видели в полости взрыва в штольне 504 и в камере захоронения штольни 148/5. Одна из камер была пережата раньше, поэтому расплава в ней содержится меньше и по свойствам он отличается от расплава в соседней КЗ. Его характеристики указывают на то, что это в основном ударно-образованный расплав. В другой камере содержится и термически образованный расплав с другими радиохимическимми, физико-химическими и петрографоминералогическими характеристиками. На своде камер захоронения встречались образцы застывшего расплава, которые, вероятнее всего, представляют конденсат испаренной породы с примесью ударнообразованного расплава. По данным радиохимических анализов из полостей взрывов в камеры захоронения было выведено ~94% оставшихся продуктов взрыва.

Камера захоронения продуктов взрыва в штольне 148/5 была вскрыта в конце 1976 г., то есть почти через 2 года после взрыва. Разведочная обходная выработка сомкнулась с торцевой стенкой (забоем) камеры захоронения. Первоначальное обследование было выполнено сотрудниками полигона, ВНИИЭФ и ПромНИПроекта. Детальное обследование было выполнено в феврале 1977 г. сотрудниками Радиевого института им. В.Г.Хлопина и специалистами полигона. Пробы радиоактивных материалов отбирались со всех поверхностей через каждые 5 м, а также отбирались и отдельные, особо интересные образцы. Величина МЭД в камере захоронения менялась от 20 мР/ч до 200 мР/ч. На полу она составляла ~ 250—550 мР/час, в точках отбора проб — 60-700 мР/час. Обследование камеры захоронения показало, что ее поверхность почти на всю длину покрыта застывшим радиоактивным расплавом. Он был на своде, стенках и в основном на полу КЗ. Толщина слоя расплава на полу уменьшалась по направлению к центру взрыва. Судя по уровням радиации и высоте просвета между полом и потолком (кровлей), у торца камеры захоронения собралась значительная масса расплава.

Застывший расплав в камере захоронения представлен пузыристым и плотным стеклом двух градаций. Один тип — это хрупкое тонкоячеистое сильно пузыристое стекло, аналогичное пемзе. Объем пустот достигает 70—80%, а их размеры составляют от долей мм до 20 мм. Толщина стенок не превышает 0,1—0,3 мм, чем и объясняется их большая хрупкость. Доля включений обломков неизмененного гранита мала и составляет 5—8%. Указанный тип радиоактивного пемзоподобного материала локализован в основном на потолке и стенках КЗ и имеет наиболее высокую удельную активность. Контакт стекла с породой свидетельствует о том, что оно является продуктом конденсации испаренной породы, прошедшим стадию быстрого охлаждения (продукты раскристаллизации стекла отсутствуют).

Другим основным представителем радиоактивной породы является массивное плотное стекло черного цвета. Газовые пустоты размером не более 2—3 мм составляют не более 3—5% объема, объемная плотность стекла лежит в интервале 1600—2370 кг/м³. В стекле обнаруживаются признаки раскристаллизации, заключающиеся в появлении высокотемпературной фазы кварца, кристобалита. Практически полный переход гранита в состояние расплава указывает на его глубокую перестройку с фазовым превращением вследствие сильного сжатия и большого приращения удельной внутренней энергии. Для гранита это происходит при давлении на фронте ударной волны более 600 кбар. Таким образом, плотное массивное стекло, покрывавшее пол камеры захоронения, являлось ударнообразованным расплавом, выброшенным из полости взрыва в камеру захоронения. По данным радиохимических анализов в КЗ было выброшено всего ~1300 т радиоактивной испаренной и расплавленной породы. Материал трубы был смыт и растворен в 900 т испаренной и расплавленной породы. Из полости ЯВ в КЗ было выведено ~99% осколочных радионуклидов и оставшегося ядерного горючего.

Оставшаяся в полости порода по характеру ударных и термических изменений существенно отличалась от ударнообразованного расплава. Основное отличие состоит в том, что она не плавилась, а только начала спекаться (появление жидкой фазы за счет плавления низкоплавких минералов). В этих условиях для фазового перехода не хватило запаса внутренней энергии в результате сжатия грунта ударной волной. Здесь мы увидели две генерации расплавленной породы, разделенные в пространстве вследствие специальной редакции взрыва.

Проведенные эксперименты и детальное исследование камер захоронения и центральных зон взрывов показали, что можно управлять распределением радионуклидов в горном массиве. Концентрация таких радионуклидов, как Sr-90 и Cs-137, имеющих газообразных предшественников, в околополостном пространстве была существенно ниже, чем при обычном сферически-симметричном взрыве. Иногда по трещинам за пределы КЗ выходили Кг-90 и Хе-137, превращаясь затем в Sr-90 и Cs-137.

Удельная активность расплава в камере захоронения оказалась в 1-100 раз выше, чем у породы в полости взрыва.

Физико-химические, радиохимические и петрографоминералогические исследования образцов застывшего радиоактивного расплава и породы позволили установить несколько стадий и механизмов образования радиоактивного расплава и его составляющих компонент.

1. Ударнообразованный расплав образуется за счет энергии сжатия ∫PdV на фронте и за фронтом ударной волны при разгрузке.

2. Термически образованный расплав - это раздробленная и нагретая в результате сжатия ударной волной порода, в которой недостаточно запасенной внутренней энергии для фазового перехода первого рода, то есть плавления Жидкая фаза при этом может появляться, если порода полиминеральна и в ее составе есть легко плавящиеся минералы. В этом случае порода переходит в состояние спекания, примером такой породы является гранит. Дальнейшее плавление породы в рассматриваемой зоне происходит за счет процессов конвективного теплообмена на стадии роста (расширения) полости при ее смешении с ударнообразованным расплавом.

3. Конденсат испаренной породы вместе с радионуклидами ядерного взрыва смешивается с ударнообразованным расплавом, передавая ему дополнительную тепловую энергию.

Все три вида расплава, объединившись вместе, образуют конечный радиоактивный расплав породы. При обычных камуфлетных взрывах исследователи имеют дело именно с этим расплавом.

При взрывах в силикатных породах не удалось экспериментально определить удельную массу испаренной породы. Отдельные образцы породы, соответствующие конденсату испаренной породы по радиохимическим и текстурно-минералогическим характеристикам, были обнаружены в камерах захоронения двух взрывов. Поэтому эта характеристика подземного взрыва бралась из теоретических расчетов - 70 т/кт, что соответствует приведенному радиусу 1,85 м/кт^1/3.

Удельная масса ударнообразованного расплава и испаренной породы при взрыве в граните составляет по результатам двух взрывов 300-480 т/кт, что соответствует зоне с радиусом 3,1-3,5 м/кт^1/3.

Масса породы, которая впоследствии дает термически образованный расплав (она была обнаружена в полости взрыва в штольне 148/5), равна 350-375 т/кт, что соответствует зоне от ~3,5 до 4,2 м/кт^1/3.

Удельная масса общего радиоактивного расплава породы при взрыве в граните равна ~800 т/кт (760+150), что соответствует зоне с радиусом 4,3 м/кт^1/3. Удельная масса расплава рассчитывалась по формуле:

При взрывах в нефелиновом сиените масса ударнообразованного расплава и испаренной породы составила 520 т/кт. Эта величина получена по данным о концентрациях индикаторных элементов, пометивших зону ударного и термического плавления породы. Приведенный радиус зоны испарения и ударного плавления составил 3,6 м/кт^1/3. Массу термически образованного расплава определить не удалось.

Удельная масса испаренной породы при взрыве в каменной соли составляет 110+15 т/кт, что соответствует зоне с радиусом 2,3 м/кт^1/3. Масса общего радиоактивного расплава равняется 1000±50 т/кт, что соответствует зоне 4,75 м/кт^1/3. Экспериментально определить массу ударно-образованного расплава каменной соли не удалось.

Количество разложившейся карбонатной породы (доломит, известняк), содержащей тугоплавкие изотопы, находится в пределах 320-670 т/кт (доломит), 250-1300 т/кт (известняк).

Обследование полостей и центральных зон взрывов в различных горных породах позволило получить информацию о зонах дробления и трещинообразования. Так, при взрыве в каменной соли мощностью ~1 кт вокруг полости взрыва образуется зона дробленой породы размером 1,5-6,5 м. Трещины разрыва прослеживаются вверх на 83 м, вниз на 29 м и в стороны от центра взрыва на 35 м. Вообще же для соли на площадке "Галит" зона трещинообразования может достигать 100 м/кт^1/3 в самой соли и распространяться в покрывающие породы на расстояние до 135 м/кт^1/3.

Зона дробления для гранита массива Дегелен имеет радиус 20-35 м/кт^1/3, расплав может проникать на удаление до 15-50 м/кт. Радиус зоны трещинообразования и проникновения газов в массив составляет 30-100 м/кт^1/3.

Для взрыва в нефелиновом сиените мощность зоны смятия породы составляет 4 м/кт^1/3, радиус зоны дробления 25 м/кт^1/3 и радиус зоны раскрытия новых трещин 38 м/кт^1/3.

Исследование поведения подземных вод при подземных ядерных взрывах представляет особый интерес, во-первых, с точки зрения реакции проницаемого пространства на внешние крупномасштабные возмущения, а во-вторых для изучения и обеспечения гидрогеологической и радиационно-химической безопасности при эксплуатации особоответственных подземных сооружений. При этом основная опасность для крупных подземных сооружений связана с возможностью резкого подъема грунтовых вод, что может вызвать разжижение фунтов, и со снижением несущих способностей вмещающих горных пород при значительном падении уровня подземных вод в результате внешних динамических воздействий.

Основные механические проявления подземного ядерного взрыва, нарушающие естественно установившуюся гидродинамику подземных вод, связаны с действием волны сжатия на водосодержащие коллекторы и с образованием в среде дополнительных пустот (камуфлетная полость, наведенная трещиноватость), деформацией водных коллекторов и массива горных пород в целом.

Исследование реакции подземных вод на действие подземного ядерного взрыва проводилось в течение продолжительного времени (1983-1989 гг.) с помощью 96 наблюдательных скважин, пройденных в горных массивах Балапан и Дегелен Семипалатинского испытательного полигона. Регистрация уровня подземных вод проводилась в наблюдательных скважинах, расположенных в области влияния взрыва: на расстояниях от 0,3 до 10 км от эпицентра. Наблюдения (с разной степенью детализации) проводились в общей сложности при 44 подземных ядерных взрывах с тротиловым эквивалентом от 6 до 150 кт (29 взрывов в скважинах на площадке Балапан и 15 - в штольнях площадки Дегелен).

Подземные воды в изучаемом регионе распространены повсеместно, носят напорно-безнапорный характер и приурочены к зонам экзогенной и тектонической трещиноватости скальных пород палеозойского фундамента. Водосодержащие горизонты вскрыты на глубинах от 2,1 до 70 м и характеризуются напором 4-66 м.

Области питания подземных вод сосредоточены в основном на юго-западе территории полигона на участках выклинивания местного водоупора. Фильтрационное течение подземных вод, характеризующееся уклоном от 0.05 до 0,02, осуществляется преимущественно в северо-восточном направлении. Сложное геологическое строение региона и наличие ряда структурно-тектонических нарушений разного порядка определяет неоднородность фильтрационных свойств водовмещающих пород. Так, в пределах структурных блоков водопроводимость составляет 0,05-1,3 м²/сут., в то время как вблизи тектонических нарушений эта величина может достигать 14-34 м²/сут.

Коэффициент проницаемости водовмещающих пород в пределах структурно-тектонических блоков составляет 3-10~15-6-10~4 м².

Режим подземных вод преимущественно равнинный. Величина суточных колебаний уровня не превышает 3-5 см. Для региона в целом характерен общий подъем уровня подземных вод на 1-2 м в период весенне-осеннего паводка.

Подземный ядерный взрыв приводит к существенному нарушению гидродинамического режима подземных вод. Хотя изменение уровня подземных вод (h) носит сложный пространственно-временной характер, определяемый конкретными характеристиками массива горных пород, удаленностью наблюдательной скважины от эпицентра взрыва, наличием близкорасположенных тектонических нарушений и т.д., можно выделить общие закономерности. Так, непосредственно после взрыва регистрируется общий кратковременный подъем уровня подземных вод в наблюдательных скважинах (в отдельных случаях их фонтанирование). Затем в течение короткого отрезка времени (0,1-3 суток) наблюдается снижение уровня подземных вод до первоначального и ниже. Наиболее отчетливо это проявляется в ближней зоне взрыва (на расстояниях 0,5-2 км), где подъем уровня может достигать 34 м (взрыв 02.08.87, Е=20-150 кт, наблюдательная скважина на расстоянии r = 1,9 км), а снижение уровня относительно первоначального составило 58 м (взрыв 27.12.87, Е=20-150 кт, наблюдательная скважина на расстоянии r=0,5км). Далее в течение продолжительного времени (от 10 суток до 6 месяцев) наблюдается устойчивая тенденция к восстановлению первоначального уровня.

Вместе с тем имеются случаи, когда подземный ядерный взрыв вызывает только повышение уровня подземных вод в некоторых наблюдательных скважинах, расположенных в одном структурно-тектоническом блоке с боевой (взрыв 02.09.89, Е =- 0-20 кт, r = 1,35 км), либо осушение горного массива в радиусе около 1 км (взрыв 06.06.87, в штольне, Е=0-20 кт).

В целом нарушение гидрорежима подземных вод отмечается до расстояний около 10 км при взрывах мощностью 150 кт. Размеры областей дренажа подземных вод оцениваются первыми километрами.

Свои особенности влияния взрывов на гидрологию имеются на площадке "Галит". При этом следует отличать глубинные (1000 м и глубже) взрывы, которые при обычно реализуемой хорошей гидроизоляции скважины, не нарушают стабильный гидрологический режим, и взрывы более мелкого залегания, которые вносят серьезные возмущения в гидрологическую систему зоны, прилегающей к месту взрыва. В этом случае имеет место сначала сдавливание водоносных горизонтов, что приводит к прорыву вод верхнего горизонта на дневную поверхность, проявляющемуся в виде многочисленных фонтанов, а затем их осушению в связи с заполнением водой образовавшейся полости. В ряде мест после этого наблюдаются пологие депрессионные воронки.

Зависимость h(r, t) имеет существенно немонотонный пространственный характер, что связано со значительным влиянием тектонических разломов на величину взрывного воздействия, а следовательно и гидрогеологические эффекты. Так, при одном из взрывов в наблюдательных скважинах №40 и 41, расположенных в пределах одного структурно-тектонического блока с боевой скважиной, наблюдалось фонтанирование воды в течение 7 часов. В других близкорасположенных от эпицентра взрыва скважинах №37, 38 и 39 непосредственно после проведения взрыва зарегистрирован подъем уровня подземных вод на 3,6-4,2 м. В последующие сутки общее снижение уровня достигло h = -60 м. В то же время характер изменения уровня воды в наблюдательных скважинах №43-48, расположенных в зоне влияния крупного тектонического нарушения, существенно отличен: взрывное воздействие вызвало лишь незначительное снижение уровня подземных вод (в скважинах №46-48, экранированных нарушением, уровень подземных вод вообще практически не изменился). Изменение гидрогеологической обстановки в районе проведения мощных подземных взрывов обусловлено изменением механического состояния массива горных пород. Так, в результате повторного гидрогеологического опробования наблюдательных скважин (после проведения взрывов) было установлено изменение водопроводимости водовмещающих пород. При этом наибольшее изменение водопроводимости отмечается в районе менее водообильных скважин. В частности, в скважинах, вскрывающих андезитовые порфиры, отмечено увеличение водопроводимости в среднем от 0,26 до 0,52 м²/сут., что соответствует увеличению общей пористости пород с 3,8 до 5,3%.

Гидрогеологическое обследование наблюдательных скважин после проведения взрывов позволило установить эффект, связанный с изменением водопроводящих свойств водовмещающих пород: в части скважин отчетливо регистрируется сдвиг интервалов преимущественного водопритока. Последнее можно объяснить установлением гидравлической связи между близкорасположенными трещинами в зоне развития тектонической трещиноватости либо образованием магистральных трещин в результате взрыва. Подробный анализ гидрогеологических эффектов подземных ядерных взрывов свидетельствует о том, что значительное снижение уровня подземных вод после кратковременного их повышения связано с заполнением образовавшихся при взрыве пустот: камуфлетной полости, столба обрушения, зон наведенной и обновленной трещиноватости среды.

Подземный ядерный взрыв приводит к нарушению естественного гидрогеологического режима в области с относительным радиусом r/Е^1/3 до 1000 м/кт^1/3, что более чем на порядок превосходит радиус зоны наведенной при взрыве трещиноватости и соответствует размеру зоны необратимых локальных нарушений среды.

Изменение гидрогеологического режима при взрыве определяется повышением эффективного давления жидкости в водовмещающих породах; изменением механических и, как следствие, фильтрационных свойств пород-коллекторов; образованием новых каналов фильтрации; образованием в результате взрыва подземных пустот и дальнейшим их заполнением подземными водами.