книги из ГПНТБ / Вовк, А. А. Действие взрыва в грунтах

вдвое превысила глубину заложения заряда за счет уплотнения нижележащих слоев грунта. Измерения уровня грунтовых вод по контуру выемки показали, что в дне выемки водонасыщенный грунт (плывун) расположен у самого контура; с удалением от вертикальной оси выемки по ее контуру уровень залегания плы­ вуна отходит от контура, приближаясь одновременно к естест­ венному уровню залегания. Это свидетельствует о том, что в бортах выемки произошла деформация грунтовых слоев и отгон грунтовой воды. Качество уплотнения грунта и соответственно надежность противофильтрационного грунтового экрана можно определить в процессе наблюдений над состоянием бортов выем­ ки и наличия в ней воды. На первом этапе исследований такие наблюдения проводились в течение двух недель после взрыва. Установлено, что лишь непосредственно после взрыва в выемке собралось незначительное количество воды; в последующие же дни количество воды в выемке не увеличилось. Следовательно, в процессе последействия некоторая часть влаги под действием остаточных напряжений была отжата из прилегающего массива в выемку, после чего в массиве установилось равновесие сил. Исследования показали следующее:

1)под действием высоких давлений плывунные пески способ­ ны отдавать влагу, заметно уплотняясь;

2)низкая проницаемость грунтов, окружающих выемку, со­ храняется продолжительное время после взрыва;

3)пределы применимости описанной технологии создания экрана определяются мощностью вскрышных пород, поскольку

сростом мощности грунта, подлежащего уплотнению, возраста­ ет величина заряда, это влечет за собой увеличение глубины за­ ложения заряда, следовательно, затраты на проведение взрыв­ ных работ заметно возрастают;

4)взрывные технологии с использованием горизонтальных

удлиненных зарядов выброса целесообразно применять при мощности вскрыши до 8,0 м. При большей мощности вскрыш­ ных пород можно рекомендовать методы создания противофильтрационных экранов, основанные на применении серии скважин­ ных камуфлетных зарядов по контуру карьерного поля.

3. УСТРАНЕНИЕ ПРОСАДОЧНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ВЗРЫВАМИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ИРРИГАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

При эксплуатации гидромелиоративных сооружений, прове­ денных в лессовых грунтах, возникает опасность просадки окру­ жающего массива грунта в процессе насыщения его влагой. По­ этому при строительстве каналов необходимо принимать меры по предупреждению последующей просадочности окружающего

массива.

Известен ряд методов ликвидации просадочности лессовых грунтов перед созданием в них каких-либо сооружений. Простей­

165

шим из них является длительное замачивание до достижения определенной величины просадки.

Форсировать процесс можно с помощью применения энергии взрыва. Так, в САНИИРИ [6] разработаны методы уплотнения просадочных грунтов, основанные на взрыве заряда взрывчато­ го вещества в слое воды, покрывающей поверхность просадочной толщи. Перед взрывом грунт увлажняется в течение 20 дней до степени водонасыщения, равной 0,6—0,8 полной влагоемкости. Установлено, что действие взрыва распространяется на глубину до 7,0 м, при этом плотность грунта возрастает на 11 —12%, ко­

грунтах разработал иную взрывную технологию, предусматри­ вающую взрывание сетки камуфлетных сосредоточенных заря­ дов, расположенных в вертикальных скважинах на глубине, со­ ставляющей 65—70% толщи просадочных грунтов в предвари­ тельно замоченном через дренажные скважины массиве грунта (до полного водонасыщения).

Дренажные скважины диаметром 400 мм размещались по сетке 3X3 м с разрежением (через одну) в средней части котло­ вана. Размещение взрывных скважин производилось по сетке 4,5 X4,5 ж и по торцам здания, расстояние между взрывными скважинами снижалось до 3 м. Вес зарядов колебался от 2 до

10кг.

Взарубежной практике также известны работы по форсиро­ ванной просадке грунтов с помощью энергии взрыва. Так, в ГДР были проведены опыты по ликвидации просадочности грунтов путем взрывания сетки вертикальных скважин, в каждую из ко­ торых помещается несколько сосредоточенных зарядов (в зави­ симости от толщи просаживаемых грунтов).

Расчет зарядов производится по формуле

где N — порядковый номер зарядов (начиная с поверхности). Заряды располагаются по следующей сетке: расстояние меж­

ду рядами

Расстояние между скважинами составляет 0,5 R. В (III. 7) f — частота колебаний, равная 1/Т, определяемая экспериментально; Ci — вес заряда в скважине (при рассредоточении заряда вес верхней его части); К — коэффициент, учитывающий свойства грунта,

где R — радиус уплотненной зоны.

166

Характерным для обоих методов является бурение вертикаль­ ных взрывных скважин с применением обсадных труб, что суще­ ственно осложняет технологию проведения взрывных работ при борьбе с просадочностью на строительстве каналов в лессовых грунтах. Кроме того, экспериментально доказано, что сосредото­ ченные заряды менее эффективны по сравнению с удлиненными цилиндрическими зарядами.

В Киевском отделении Института геотехнической механики АН УССР разработана технологическая схема взрывных работ, позволяющая более эффективно использовать энергию взрыва для ликвидации просадочности дна и бортов ирригационного ка­ нала, пройденного в лессовых грунтах. Согласно этой схеме (рис. 59), по трассе канала про­ ходится канава под замочку, за­ полняется водой, массив грунта замачивается в течение 7—12 дней (в зависимости от его свой­ ств). После этого на дно канавы, заполненной водой,укладывается горизонтальный цилиндрический заряд. Взрыв зарядов произво­ дится участками до 100 м. Сече­

ние канавы под замочку при нашей технологии принимается на 10—15% меньше, чем при обычной замочке, что представля­ ет собой поправку на уплотнение окружающего заряд грунта в результате взрыва.

Расчет зарядов ведется исходя из условия существования предельного динамического давления Ps, необходимого для раз­ рушения связей лессового грунта [см. зависимость (III.2)]. Частными случаями этой зависимости могут быть варианты, ког­ да грунтовый массив не замачивается до взрыва либо замачива­ ется полностью. Первый вариант возможен в том случае, если предварительной просадке подлежат грунты с высокой естест­ венной влажностью, второй,— если работы ведутся в необвод­ ненных грунтах с большой свободной пористостью. Во всех слу­ чаях основным фактором при выборе технологической схемы форсированного просадкообразования является величина заряда ВВ, обеспечивающая экономическую эффективность взрывных работ при достижении заданной величины просадки поверхности без существенного нарушения грунтового массива в пределах

сечения будущего канала.

Теоретические предпосылки к расчету зарядов и расчетная формула были проверены экспериментально на 1-м зональном канале Рогачикской оросительной системы (толща просадочных грунтов 12—14 м). Грунт замачивался перед взрывом в течение 20 дней, заряды выполнялись в виде длинных рукавов (10 м),

167

изготовленных из полиэтиленовой пленки и заполненных аммо­ нитом № 6 ЖВ. Заряд рассчитывался по изложенной методике и составил 20 кг/пог. м. Однако из опасения большого разруше­ ния бортов канавы были проведены пристрелочные взрывы за­ рядов с меньшим погонным расходом (5 и 10 кг/пог. м). При взрыве заряда весом 5 кг/пог. м наблюдалось несущественное нарушение сплошности массива в бортах канавы, однако про­ садка была незначительной. В результате взрыва заряда с рас­ ходом 10 кг/пог. м образовалась сеть трещин, система наклонно­

ступенчатых, террасообразных перепадов (рис. 60). Измерения показали, что трещины и перепады образовались в результате как оползания бортов канавы, так и просадки грунтового масси­ ва. С учетом наличия оползня просадка окружающего массива составила 30—35 см. Согласно результатам экспериментов уве­ личение веса заряда приводит к разрушению бортов канавы за пределами проектного сечения зонального канала. Поэтому за­ мачивание и последующее взрывное просадкообразование не­ обходимо производить в специально пройденных канавах под замочку (с меньшей глубиной, но более пологими бортами). Размеры канавы под замочку нужно выбирать таким образом, чтобы поверхностные разрушения массива не выходили за пре­ делы проектного сечения канала.

Предлагаемая технология может быть применена при ликви­ дации просадочных свойств грунтов на больших стройплощад­ ках. В этом случае по контуру фундамента предполагаемого здания или сооружения проходятся канавы под замочку, а затем

вних укладываются горизонтальные удлиненные заряды.

Вотдельных случаях, когда толща просадочных грунтов зна­ чительна, целесообразно применять комбинированную схему ликвидации просадки при строительстве каналов. Вдоль канала

по обеим сторонам пробуриваются вертикальные скважины на' глубину просадочных грунтов, но значительно реже, чем преду­ сматривает методика И. М. Литвинова. Канал заполняется во­ дой и производится постепенное замачивание окружающего мас­ сива. Через 7—10 дней после начала замачивания на дно канала укладывается горизонтальный цилиндрический заряд, а в верти­

168

Г л а в а IV

РЫХЛЕНИЕ И ОБРУШЕНИЕ ГРУНТОВОГО МАССИВА ВЗРБ1ВАМИ

1. РЫХЛЕНИЕ ГРУНТОВОГО МАССИВА В КАРЬЕРАХ МЕТОДОМ УПРАВЛЯЕМОГО ВЗРЫВНОГО ОБРУШЕНИЯ

В настоящее время более 30% общего объема горной массы, подлежащей разработке открытым способом, занимают мягкие породы (более 2 млрд. м3). Выполнение такого объема горных работ требует применения самых совершенных методов и техно­ логий разработки.

Одним из основных направлений совершенствования техники и технологии разработки мягких пород является внедрение по­ точной технологии горных работ с использованием техники не­ прерывного действия. Сюда можно отнести транспортно-отваль­ ную, транспортную и комбинированную системы и гидромехани­ зированный способ разработки. Однако, несмотря на большую эффективность, эти системы имеют недостатки как конструктив­ ного, в отношении применяемого оборудования, так и техноло­ гического характера.

Главный недостаток применяемых в транспортных и комби­ нированных системах роторных экскаваторов заключается в же­ сткой связи рабочих органов с высотой разрабатываемого усту­ па, что приводит к опережению роста собственного веса, мощ­ ности электродвигателей и стоимости экскаватора перед увели­ чением его производительности. По данным Ленгипрошахта [72], роторные экскаваторы при производительности более 12 000 м3/ч и высоте черпания более 50 м оказываются экономически нерен­ табельными. Г. Л. Фисенко [96] считает, что роторные экскава­ торы производительностью 8000 м3/ч с высотой черпания до 50 м для условий Никополь-Марганцевского месторождения являют­ ся предельными, так как уже при высоте уступа 50 м угол устой­ чивого откоса выполаживается до 30—35°. Следовательно, при мощности вскрыши 70 м и более для ее разработки даже при вы­ сокопроизводительной технике непрерывного действия требуется несколько уступов и транспортных горизонтов, что связано с уве­ личением количества выемочно-погрузочного и транспортного оборудования и ухудшением технико-экономических показателей добычи полезного ископаемого. Поэтому потребовалось изыска­ ние новых высокоэффективных принципов развития технологии открытых работ, допускающих гибкую (независимую) взаимо­ связь параметров разрабатываемых уступов и выемочно-погру­ зочного оборудования.

Исследования [23, 93, 94] показали, что одним из наиболее перспективных является принцип разработки, использующий

170

эффект обрушения уступов мягких пород. Предложение исполь­ зовать обрушение как способ отделения породы от массива и ее рыхления за счет сил собственного веса впервые обосновано Г. В. Родионовым в 1951 г. [94], а к 1965 г. были выполнены пер­ вые эксперименты по обрушению уступов в производственных условиях [74]. В результате этих исследований установлено, что для обрушения высокого уступа необходимо ослабить его осно­ вание (наиболее напряженное место уступа). Управление про­ цессом обрушения достигалось путем проведения оконтуривающей выработки в кровле уступа на глубину предельного верти­ кального обнажения пород; ослабление уступа в основании и кровле можно производить как механическим, так и взрывным способом.

Системы разработки, основанные на принципе управляемого обрушения уступов с использованием энергии взрыва, могут ока­ заться весьма эффективными не только при разработке уступов высотой более 50 м, но и при удалении вскрышных пород по транспортной схеме с применением механических лопат и авто­ транспорта, где мощность наносов составляет 15—20 м. Карье­ ров, разрабатывающих вскрышные породы в таких условиях, еще очень много, особенно при добыче строительных матери­ алов.

Применение поточной технологии при разработке вскрыши в данном случае экономически нецелесообразно из-за сравнитель­ но небольшого объема работ и отсутствия серийного выпуска малых моделей роторных экскаваторов, поэтому, как правило, в таких условиях в качестве выемочно-погрузочного оборудования применяются прямые лопаты с емкостью ковша до 2,5 м3 и высо­ той черпания до 10 м. При мощности вскрыши 15—20 м в этих случаях требуется несколько уступов, что ведет к резкому ухуд­ шению технико-экономических показателей добычи полезных ис­ копаемых. Использование же принципа управляемого обруше­ ния позволяет производить работы сдвоенными уступами, что приводит к повышению эффективности горных работ за счет со­ кращения количества транспортных горизонтов, концентрации горных работ, лучшего использования оборудования во времени.

Применение прямой лопаты в качестве выемочно-погрузочно­ го оборудования предопределяет взрывной способ создания ослабляющей выработки в подошве уступа по соображениям без­ опасности ведения работ. Эффективность обрушения вскрышных уступов с применением взрывного способа при разработке сдво­ енных уступов на один транспортный горизонт экскаваторами существующего типа может быть весьма высокой благодаря воз­ можности использования собственного веса породы для отделе­ ния ее от массива, рыхления, транспортирования по высоте уступа, применения существующего выемочно-погрузочного обо­ рудования, рабочие параметры, вес и энергоемкость которого практически не зависят от высоты уступа.

171

Значительное увеличение производительности механизмов мо­ жет быть достигнуто при использовании принципа управляемого обрушения в условиях разработки грунтов способом гидромеха­ низации. Сама технология разработки пород землесосами осно­ вана именно на принципе обрушения уступов, но заложенные в этом принципе возможности используются далеко не полностью.

Известно, что наибольшее влияние на экономику гидромеха­ низации имеет характер разрабатываемых пород. При вязких породах (глинах, тяжелых суглинках) стоимость разрушения и размыва их возрастает в несколько раз по сравнению со стои­ мостью разрушения и размыва несвязных пород. Практикой гид­ ромеханизации в различных отраслях промышленности установ­ лено, что при разработке песков средней крупности и супесей удельный расход рабочей воды для размыва 1 м3 породы состав­ ляет 5—8 м3 при напоре перед насадкой гидромонитора 20—30 м, а для суглинка и глин удельный расход на 1 м3 равен 10—20 м3,

а напор — 80—250 м [63].

Процесс размыва при гидромеханизации является самым до­ рогим и для связных пород может оказаться нерентабельным, а в некоторых случаях и невозможным без предварительного рыхления грунтов. Применяемые в настоящее время способы рыхления таких пород экскаваторами и механическими разрых­ лителями, устанавливаемыми на землесосах, имеют недостаточ­ ную эффективность и связаны с увеличением количества допол­ нительного оборудования и усложнением конструкции землесо­ сов. Предварительное рыхление грунтов экскаваторами, кроме того, вынуждает производить гидромеханическую разработку уступами высотой до 4—6 м до предельной глубины копания строительных экскаваторов, а уменьшение высоты уступа ведет, естественно, к снижению эффективности гидромеханизации.

Наиболее экономичным способом разрыхления пород являет­ ся обрушение значительных их объемов. Установлено [97], что обрушение пород, особенно глинистых, большими массами резко нарушает их прочность (в два-три раза), что способствует успеш­ ному размыву этих пород.

Еще в 1941 г. В. И. Карцев предложил использовать для обрушения уступа предварительное его водонасыщение. Обру­ шение основано на известном свойстве пород терять связность своих частиц при значительном повышении влажности. По вби­ тым вдоль забоя трубам диаметром 15—20 мм, не доходящим до плотика россыпи на 1 м, в течение нескольких часов подавалась вода. Происходило предельное насыщение пород водой и опол­ зание их на плотик разрабатываемого пласта. Полученные ре­ зультаты подтверждают эффективность обрушения: производи­ тельность гидроустановок увеличилась на 40—50% при снижении расхода напорной воды на 50—60% [63]. Широкого распростра­ нения этот способ не получил, так как он оказался непригодным для уступов, сложенных неоднородными породами, поскольку в

172

этом случае вода свободно вытекала в забой по песчаным про­ слойкам и обрушению подвергались невысокие (до 6 м) уступы с вертикальным откосом.

Несмотря на положительные стороны, использованию прин­ ципа обрушения уступов в практике 'гидромеханической разра­ ботки грунтов уделяется недостаточное внимание, тогда как ис­ следование влияния физико-механических свойств грунтового массива на эффективность обрушения, теоретическое и экспери­ ментальное обоснование параметров обрушаемого уступа, раз­ работка и применение принудительных, например взрывных, методов обрушения уступов могут оказаться весьма эффектив­ ными при ведении работ в тяжелых связных грунтах.

Обрушение уступов является одним из видов нарушения их устойчивости. Основное условие предельного напряженного со­ стояния грунтового массива, предшествующего обрушению, име­ ет вид т=/(сГп), где т и ап — касательное и нормальное напря­ жения на заданной площадке. Сопротивляемость сдвигу сыпучих грунтов характеризуется только величиной угла внутреннего трения tg ф и изменяется по линейному закону: т=(т„tgф. Усло­ вие предельного напряженного состояния в откосах несвязных грунтов предусматривает равенство угла откоса углу внутренне­ го трения.

Связные грунты обладают как внутренним трением, так и сцеплением. Их сопротивление сдвигу изменяется согласно вы­ ражению т = a^lt gф + C (С — сцепление грунтов). Такие грунты допускают возможность создания вертикальных уступов опреде­

Нарушение условий устойчивости уступов высотой до #эо происходит всегда в виде обрушения. Нарушение условий устой­ чивости более высоких уступов происходит по линии скольже­ ния: вертикальной в верхней части откоса и криволинейной (близкой к круглоцилиндрической) в нижней его части. Кривиз­ на линии сдвижения грунтов зависит от скорости деформирова­ ния. При высоких скоростях, возникающих при дополнительных воздействиях, при многократном превышении сдвигающих сил над удерживающими, происходит прямолинейный срез и криволинейность линий сдвижения не наблюдается. Таким образом, нарушение условий устойчивости высоких уступов возможно в форме оползней по криволинейной поверхности и в форме обру­

шений по плоской поверхности.

Благодаря неравномерной и длительной деформации при развитии оползней имеет место неравномерное рыхление грунто­ вого массива с преобладанием крупных неразрушенных блоков. При обрушении скорость деформирования очень высока, проис­

173

ходит дробление грунтового массива как в процессе обрушения, так и при дальнейшем падении блоков. Сохранившиеся блоки покрыты сеткой трещин, облегчающих их дальнейшую разра* ботку.

При всех видах обрушения первостепенное значение имеет управляемость процессом, т. е. возможность предварительно рас­ считать обрушение определенного объема грунтов в необходи­ мый момент времени. Для этого применяются оконтуривающие выемки типа траншей, которые одновременно создают ослабля­ ющую поверхность. Глубина такой выемки должна быть не мень-

Рис. 61. Схема к расчету ширины зоны обрушения:

а — с устойчивой высотой вертикального обнажения; б — с обыч­ ной конфигурацией.

ше предельной высоты вертикального обнажения. Расстояние от верхней бровки уступа до ослабляющей выработки определяется после построения всей поверхности скольжения.

Согласно В. В. Соколовскому [90], грунтовой массив, примы­ кающий к откосу, находящемуся в предельно-напряженном со­ стоянии, образует три области. В первой (АОВ на рис. 61) с не­ которым упрощением (пренебрегая в этой области сцеплением) линии скольжения могут быть приняты проходящими под углом р = я/4—ф/2 к поверхности откоса (при сс>р). Далее следует комбинированная область (ВОС), где линии скольжения могут быть описаны в полярной системе координат г, р с центром О уравнениями r=/<ro~Potgl\ В области COD линии скольжения на­ клонны к горизонту под углами я/2—р.

С учетом этих данных нами выведена формула для определе­ ния ширины зоны возможного обрушения для откоса, конфигу­

174