книги из ГПНТБ / Строительство ирригационных каналов и котлованов взрывами на выброс

МИНИСТЕРСТВО МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

СССР

Всесоюзный головной проектно-технологический институт «Союзоргтехводстрой»

СТРОИТЕЛЬСТВО

ИРРИГАЦИОННЫХ

КАНАЛОВ И КОТЛОВАНОВ

ВЗРЫВАМИ НА ВЫБРОС

МОСКВА «КОЛОС»

1973

А В Т О Р Ы:

А. П. Андреев, Л. Г. Губарев, J1. С. Золотарев, Г. И. Черный

© Издательство «Колос», 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решениями XXIII и XXIV съездов КПСС намечена широкая программа развития ирригационных работ в нашей стране. Наме­ чается не только расширение ирригационного строительства в Средней Азии, Нижнем Поволжье, на Северном Кавказе' и в Ка­ захстане с использованием стоков Волги, Амударьи, Сырдарьи и других местных рек, но и переброска на юг значительной части стока Оби, Енисея, Печоры и других северных рек.

В решении этих вопросов значительный эффект может быть достигнут в результате разработки технологии производства ра­ бот, основанной на использовании энергии взрыва.

Взрыв горизонтального цилиндрического заряда, размещенно­ го в траншее-щели, приводит к образованию открытой выемки, в 1,5—2 раза глубже, чем зарядная траншея. При этом выбрасы­ вается примерно половина грунта из выемки, остальная часть идет на уплотнение .массива.

Как показывает производственный опыт, взрывные методы с применением цилиндрических зарядов большой длины обеспечи­ вают поточное ведение работ по проходке открытых выемок зна­ чительной протяженности. При этом существенно уплотняются массивы пород, окружающие выемки, и снижаются их фильтра­ ционные свойства. Новые технологии взрыва позволяют усилить темпы проходки профильных выемок при одновременном росте производительности труда, значительном снижении фондоемкости работ, а при использовании экономичных взрывчатых веществ дают снижение себестоимости горных (земляных) работ по пря­ мым затратам.

В настоящей книге на основе результатов экспериментально­ теоретических исследований действия удлиненного горизонтально­ го заряда дана методика расчета параметров взрывной проходки профильных выемок, приведена краткая характеристика промыш­ ленных взрывчатых веществ и определена область их применения.

На основе экспериментальных исследований, выполненных в производственных условиях, разработана технология производст­ ва работ взрывом и приведены результаты внедрения этой техно­ логии в ирригационном строительстве.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫЕМОК РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Опыт использования энергии взрыва на земляных работах

В СССР накоплен огромный опыт применения взрывных ме­ тодов создания насыпей и выемок различного назначения как в скальных, так и в мягких грунтах.

Взрывной метод образования выемок нашел широкое распро­ странение в гидротехническом строительстве, при вскрытии место­

3

рождений полезных ископаемых, при устройстве котлованов, уста­ новке опор, проходке разведочных канав и т. д.

Массовые взрывы на выброс являются мощным средством ин­ тенсификации трудоемких земляных работ; он позволяет в пре­ дельно короткие сроки выполнять огромные объемы работ. При этом не требуется проведения дорогостоящих подготовительных работ и применения сложного оборудования.

Весьма существенным является то, что выемки, образованные взрывом в пластичных грунтах, окружены уплотненным слоем грунта, играющим роль противофильтрационного экрана. Фильтра­ ция воды из каналов, построенных взрывным способом, снижает­ ся по сравнению с каналами, вырытыми землеройными машина­ ми, в несколько раз.

Сущность взрывного метода (взрыва на выброс) заключается в том, что заложенный в грунт заряд взрывчатого вещества (ВВ) при взрыве не только его разрушает, но и выбрасывает на опре­ деленное расстояние (за пределы проектного сечения разрабаты­ ваемой выемки).

Исследования по образованию выемок и движение пород при взрывах на выброс нашли широкое отражение в работах Г. П. Демидюка, М. М. Докучаева, Г. И. Покровского, В. Н. Радионова, А. А. Вовка, А. А. Черниговского, А. Н. Ханукаева и др.

Действие сосредоточенного заряда в грунте. Взрыв заряда ВВ вблизи свободной поверхности сопровождается деформацией грунта, его выбросом и образованием выемки. Процесс образова­ ния воронки очень сложный и во многом зависит от свойств взры­ ваемых пород. Однако для всех категорий грунтов можно устано­ вить ряд общих закономерностей.

А. Н. Ханукаев {36] на основании изучения кинограмм процесса образования взрывной воронки в песке установил следующее:

продолжительность процесса формирования взрывной воронки во много раз превышает продолжительность воздействия газов:

образование воронки обусловлено запасом кинетической энер­ гии, приобретаемой средой в момент воздействия газов на грунт.

Процесс разрушения грунтового массива протекает следующим образом. При взрыве сосредоточенного заряда вокруг него обра­ зуется полость в форме шара. В последующий момент, когда на­ чинает сказываться влияние обнаженной поверхности, полость вытягивается в сторону линии наименьшего сопротивления (ЛНС), принимая форму эллипса. При этом скорость перемещения грун­ та в сторону ЛНС больше, чем в противоположную. Это обуслов­ лено тем, что под полостью в результате вовлечения в движение дополнительных объемов грунта увеличивается сопротивление его перемещению и сжатию (ввиду постепенного увеличения плот­ ности), а над полостью в основном уменьшается сопротивление грунта перемещению (в связи с ростом обнаженной поверхности). Таким образом, верхняя часть полости по сравнению с нижней

4

быстрее увеличивается в объеме. В момент, когда толщина верх­ ней части оболочки уменьшается 'настолько, что происходит раз­ рыв ее, породы в виде отдельных кусков и частиц выбрасываются на некоторое расстояние.

В Институте химической физики АН СССР были проведены опыты с целью выяснения механизма накопления кинетической энергии выбрасываемым грунтом. Взрывы сосредоточенных заря­ дов массой 24 г проводились в песке (14]. Опытами установлено, что при отражении волны сжатия от свободной поверхности не наблюдается скачкообразного возрастания скорости, что свиде­ тельствует о неупругом характере объемных деформаций в песке. После выхода фронта волны сжатия на свободную поверхность

свободной поверхностью и плоскостью.

Степень возрастания кинетической энергии выбрасываемого грунта зависит от глубины заложения заряда. Так, при взрыве

Возрастание скорости подъема свободной поверхности объяс­ няется только действием давления в продуктах взрыва. При этом, условно выделяются две стороны процесса, ведущего к возраста­ нию кинетической энергии выбрасываемого грунта.

Первая — свободная поверхность ограничивает прирост массы грунта, вовлекаемого волной в движение, и приводит к уменьше­ нию напряжений в грунте. В результате этого потери энергии на нагрев грунта за фронтом волны, которые при взрыве заряда камуфлета достигают 60—70% всей энергии взрыва, уменьшают­ ся. Приток же энергии к движущейся массе грунта со стороны продуктов взрыва не изменяется и начинает превышать затраты на пластическое деформирование грунта.

Вторая сторона — ускоренное движение грунта в направлении свободной поверхности приводит к нарушению симметрии. Это, в свою очередь, ведет к тому, что в единицу телесного угла в на­ правлении выброса будет передана большая энергия, чем в про­ тивоположном направлении. Нарушение центральной симметрии полости происходит все быстрее с уменьшением глубины заложе­ ния заряда.

Таким образом, механизм выброса при взрыве в песчаном грунте можно представить как процесс выталкивания грунта про­ дуктами взрыва.

Механизм передачи энергии при взрывании сосредоточенных зарядов массой 1, 10 и 1000 т в связных грунтах авторы схемати­ чески расчленяют на три стадии.

Первая стадия охватывает период от момента детонации ВВ до момента выхода волны сжатия на свободную поверхность. В те­

5

чение этого периода движение грунта подобно движению при взрыве в безграничной среде.

На второй стадии энергия продуктов взрыва расходуется пре-' имущественно па ускорение движения грунта в направлении к свободной поверхности. Первоначально центрально-симметричное поле скоростей поверхности достигает значений, которые заметно превышают скорости на фронте волны сжатия. При этом образу­ ется характерный купол поднимающегося грунта. Толщина купола незначительна и уменьшается по мере его подъема. При дальней­ шем движении купол разрушается, образуя массив летящих кус­ ков. К концу второй стадии, когда происходит полное разрушение купола, энергия продуктов взрыва практически полностью ис­ черпана.

Третья стадия — это инерционный разлет грунта в поле силы тяжести. Дальность разлета грунта определяется запасенной в кусках кинетической энергией, углом вылета и силой сопротивле­ ния воздуха.

Такова в общих чертах картина взрыва на выброс.

К изложенному необходимо добавить, что при взрывах массой до 10 т объем выброшенной породы практически пропорционален массе заряда. Это свидетельствует о геометрическом подобии во­ ронок, образуемых взрывами разного масштаба. Исследование кинематики движения среды также показало, что начальные ста­ дии выброса развиваются в соответствии с принципом геометри­ ческого подобия. Таким образом, пространственно-временные ха­ рактеристики процесса выброса на начальных стадиях его раз­

R[ У С= (0,844-0,04).

Следовательно, путем модельных опытов с малыми зарядами выброса можно рассчитать действие значительных по массе за­ рядов.

Проведенные исследования существенно уточняют сведения’ о кинематике движения и затратах энергии при взрывах на выброс. Существующие представления о затратах энергии при взрыве весьма разнообразны и противоречивы. Одни исследователи счи­ тают, что при расчете заряда выброса необходимо учитывать за­ траты энергии на преодоление силы тяжести пород, другие — за­ траты энергии на преодоление сил сцепления, третьи — на прео­ доление силы тяжести и сил сцепления по боковой поверхности взрывной воронки.

Как показали исследования по кинематике движения среды, расчет зарядов выброса нельзя вести исходя только из затрат энергии на преодоление силы тяжести и сил сцепления. Зависи­

6

мости для расчета величины заряда должны учитывать затраты энергии па пластические деформации и трещинообразование, ки­ нетическую энергию перемещающейся взорванной массы, затраты энергии на упругие деформации. В производственных условиях основные параметры рассчитывают по эмпирическим формулам. Проверка этих формул специальными экспериментами, а главное, данными широких производственных опытов позволяет считать их достаточно надежными для тех условий взрывных работ, приме­ нительно к которым они составлены.

Создание профильных выемок. Систематизированные сведения

М. М. Докучаева, Г. И. Покровского. Как правило, методики ос­ новываются на использовании взрыва сосредоточенных и скважин­ ных зарядов, расположенных вдоль оси будущей выемки в один, два и более ряда. При взрывном методе создания выемок при­ меняют только усиленные заряды выброса. Это обусловлено тем, что при взрывах с усиленным показателем выброса достигается наибольший объем выброшенной породы из выемки и соответст­ венно увеличивается видимая глубина выемки.

Видимая глубина в глинистых и суглинистых грунтах

Р = 0,5Wn,

где W — линия наименьшего сопротивления; п — показатель выброса.

От глубины выемки зависит угол откоса, однако при взрыва­ нии на выброс можно лишь в ограниченных пределах изменять угол. В этом случае не всегда сечение выемки строго соответствует требованиям, 'предъявляемым при машинном способе проходки. Поэтому иногда при взрывании на выброс, чтобы получить сече­ ние, близкое к заданному, приходится выбрасывать лишний объем грунта и превышать размеры выемки поверху или уменьшать глу­ бину выемки.

Взрывные параметры устанавливают графически с таким рас­ четом, чтобы воронки взрыва по возможности точнее соответство­ вали требуемому профилю выемки.

Важным фактором при взрывной проходке выемок является правильное установление расстояния между зарядами. Выемка практически постоянного сечения при взрыве одинаковых сосре­ доточенных зарядов с равным заглублением, расположенных в один ряд, образуется при условии, что расстояние между заря­ дами

a = ^ ± W .

2

Если заряды расположены несколькими параллельными ряда­ ми, то расстояние между рядами равно расстоянию между заря­ дами, то есть

7

b = a = ^ ± 1 w.

2

Сосредоточенные, заряды выброса рассчитываются по формуле М. М. Борескова:

С = qW3(0,4 + 0,6 я3),

где q — удельный расход ВВ.

Как установлено практикой взрывных работ, эта формула справедлива только при глубине заложения заряда до 25 м. При большей глубине заложения в формулу вводят поправку, то есть

Метод взрывания на выброс включает следующие варианты: двухсторонний выброс грунта с однорядным или многорядным

расположением зарядов; односторонний направленный выброс с двухрядным или много­

рядным расположением зарядов, при котором основная часть вы­ брасываемого грунта перемещается в заданном направлении.

В практике взрывных работ большое применение получили взрывы с двухсторонним выбросом. При этом самым простым и самым выгодным является однорядное размещение зарядов. В этом случае наименьший расход ВВ и наибольший объем вы­ брошенного грунта. Однако при таком расположении зарядов создается выемка небольшой ширины по дну. Поэтому при необ­ ходимости образования более широких выемок применяют 2—3- рядное расположение зарядов, а иногда и взрывание с большим числом рядов.

Ширину выемки поверху определяют по формуле

LB= 2nW + b{m — 1),

где т — число рядов зарядов. Ширина выемки понизу

L„ = Ь(пг— 1).

При двухрядном расположении зарядов показатель действия взрыва я принимают равным для обоих рядов, при трехрядном расположении для зарядов среднего ряда я берут на 0,5 больше, чем для крайних рядов.

При многорядном двухстороннем выбросе для достижения максимального выброса вначале взрывают заряды крайних рядов, затем усиленные заряды среднего ряда,- При этом время замедле­ ния взрыва усиленных зарядов должно быть таким, чтобы разру­ шенная и поднятая взрывом зарядов первой очереди масса грунта получала поступательное направленное движение под действием более мощных зарядов среднего ряда. Выброшенный за пределы выемки грунт образует по бортам ее гребни. Наибольшая высота

8

гребия вблизи выемки, с увеличением расстояния от оси выемки: она уменьшается.

Иногда невыгодно расположение выброшенного грунта по обе стороны выемки. В этих случаях прибегают к взрыву с направлен­ ным выбросом, при котором основная масса грунта распределяет­ ся на одном из бортов выемки (до 80%).

Теоретические основы расчета зарядов рассмотренных систем направленного выброса грунта разработаны Г.. И. Покровским [33] на основе закономерностей внешней баллистики.

Направленный односторонний выброс осуществляется взрывом не менее двух рядов зарядов. При этом показатель действия взрыва второго ряда (основного), направляющего большую часть взорванного грунта в одну сторону, принимается на 0,5 больше зарядов первого ряда (вспомогательного).

Направленный выброс достигается разновременным взрыва­ нием рядов зарядов. Так, если необходимо произвести направлен­ ный выброс при двухрядном расположении зарядов, то сначала одновременно взрывают заряды вспомогательного ряда. В резуль­ тате образуется выемка, параллельная оси основной выемки, и создается обнаженная поверхность для зарядов основного ряда. Поэтому при взрыве зарядов этого ряда через определенное вре­ мя после взрыва зарядов вспомогательного ряда основная масса взорванного грунта благодаря боковому направлению ЛНС вы­ брасывается в сторону обнаженной поверхности. При этом в том же направлении увлекается взорванная и поднятая вверх порода от взрыва зарядов вспомогательного ряда.

Время замедления зависит от величин W и п\ в практике при замедленном взрывании его принимают равным 2—4 с, а при ко­

В последние годы теоретические и экспериментальные иссле­ дования, проведенные в СССР, показали, что направленность вы­ броса и объем выброса породы можно увеличить методом плоских зарядов.

Предложенный М. А. Лаврентьевым [19] метод направленного выброса состоит в том, что метаемый объем грунта обкладывают со всех сторон слоем ВВ, который в результате взрыва и сообще­ ния грунту импульса создает как бы «твердую стенку», препятст­ вующую боковому разлету грунта. Толщина слоя ВВ увеличивает­ ся в направлении, обратном движению выброса, и определяется свойствами грунта и дальностью бросания. При таком способе размещения плоских зарядов можно достичь 100%-ной направ­ ленности выброса.

При одностороннем направленном выбросе возможны и другие способы применения плоских зарядов. В частности, ^предложенные- А. А. Черниговским [37] методы плоских и клиновидных зарядов,, заложенных непосредственно во взрываемом массиве, дают доста­

9