CC BY
78
1. Галкин В.В., Гильманов Р.А., Дроговейко И.З. Взрывные работы под водой. - М.: Недра, 1987.
2. Барон В.Л. Нормативный справочник по буровзрывным работам. -М.: Недра, 1986.
3. Ле Ван Чунг. Проектирование взрывных работ для создания подводных выемок. ВИА, Ханой 1990. (На вьетн. яз.).
Коротко об авторах
Белин В.А., Дам Чонг Тханг — университет. Московский государственный горный
А_________
---------------------------- © А.И. Гончаров, А.С. Державец,
В.И. Куликов, А.А. Фильчаков, 2007
А.И. Гончаров, А.С. Державец, В.И. Куликов,
А.А. Фильчаков
ВЗРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА СПЕЦИАЛЬНЫХ РАБОТАХ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И ЛИКВИДАЦИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
В настоящее время использование энергии взрыва находит все более широкое применение в работах
МЧС, которые отличаются от традиционных, связанных с дроблением горных пород на рудных и нерудных месторождениях. Одной из причин этого является использование во взрывных работах простейших ВВ, изготавливаемых на месте на основе пористой аммиачной селитры (ПАС) и дизельного топлива (ДТ) (Акронит), которые сами по себе к взрывчатым веществам (ВВ) не относятся, что существенно упрощает и удешевляет их хранение, доставку и работу с ними. Эти взрывчатые смеси удобны еще и тем, что имеют небольшой критический диаметр, около 60-130 мм [1] при насыпной плотности. Это позволило нам предложить для взрывных работ заряды, изготавливаемые наполнением взрывчатой смеси Акронит в обычные полиэтиленовые рукава диаметром 90 мм, которые обеспечивают стационарную (без затухания) детонацию смеси, определенную герметизацию смеси, низкую стоимость оболочки, погонную плотность ВВ около 5 кг/м и передачу детонации от одного заряда к другому [2], что требуется при решении ряда практических задач МЧС. Натурные эксперименты, о которых говорится ниже, показали, что такого типа цилиндрические заряды эффективнее сосредоточенных или минных зарядов при создании траншей-воронок для создания преград огневому фонту распространения пожаров в лесных и степных районах или для вскрытия ледового покрова и ликвидации ледовых заторов рек в весенний период.
Дальнейшее продвижение таких зарядов в практику взрывных работ МЧС требует, как и любая другая взрывная технология, обеспечения безопасных расстояний [3] по действию воздушной волны на человека и остекление застройки прилегающей территории. Поэтому, наряду с исследованием эффективности таких зарядов, были проведены исследования параметров воздушной волны при взрывах этих зарядов в натурных условиях.
1. Работы по борьбе с пожарами
В ряде случаев при борьбе с пожарами в лесных и степных районах актуальным средством является создание преград продвижению огневого фронта. В качестве такой преграды предлагается создание на поверхности естественного грунта траншей, лишенных растительности. Такой траншеей могут служить воронки выброса от накладных цилиндриче-
ских зарядов из Акронита в полиэтиленовых рукавах. В работе [2] показано, что такие заряды в рукавах диаметром 90 мм с погонной плотностью смеси 5 кг/м детонируют от боевика, при этом детонация стационарна, распространяется без затухания и передается от заряда к заряду через их торцы. Целью настоящих исследований было получение параметров воронок-траншей.
Исследования были проведены на полигоне в условиях, приближенных к натурным. Заряды изготавливались на месте из ПАС (95 %) и Дт (5 %). Смесь заправлялась в полиэтиленовые рукава диаметром 90 мм и длиной 2 м. На торцах зарядов полиэтиленовый рукав заворачивался и обматывался лентой скотч. Заряды выкладывались на поверхности ненарушенного мягкого грунта с травяным покровом. Для примера, на рис. 1 показана сборка из трех зарядов с воздушным зазором между торцами зарядов 20 мм. В зарядах устанавливались контактные датчики для контроля скорости детонационного фронта в смеси по методике, изложенной в работе [2]. Для подрыва сборки в первый заряд вводился боевик - тротиловая шашка с электродетонаторм.
Механическое действие такой сборки из трех зарядов показано на рис. 2. Оно заключается в образовании на поверхности земли воронки выброса. Очертания воронки характерны для удлиненных зарядов. При взрыве одного рукава образуется воронка длиной 2,5 м и шириной 1,1 м, при взрыве сборки из трех зарядов длина воронки 7 м и ширина 1,1 м. Глубина воронок около 20 см. Сечение воронки практически плоское, что свидетельствует о том, что выбросу подвергся лишь слой
Рис. 1. Сборка из трех зарядов в рукавах с й = 90 мм и с воздушными зазорами 20 мм
Рис. 2. Воронка взрыва сборки из трех зарядов
растительного грунта. Для воронок характерен также невысокий навал. По объему воронки расход ВВ составил около 0,05 м3/кг ВВ, что близко к известным данным о расходе для взрывов накладных зарядов в мягких грунтах.
Контрольные измерения скорости детонации показали, что скорость распространения детонационного фронта составляла 2,5 км/с, что характерно для детонации смеси Ак-ронит в рукавах диаметром 90 мм [2]. Размеры и очертания воронок также свидетельствовали о детонации смеси в рукавах и передаче детонации от одного рукава к другому.
Все экспериментальные взрывы сопровождала регистрация воздушных волн. В качестве первичного преобразователя использовался измерительный микрофон фирмы Брюль & Къер типа 4147. Это микрофон конденсаторного типа и требует для своей работы поляризационного напряжения, поэтому микрофон подключался к блоку формирования сигнала, состоящему из источника поляризационного напряжения и усилителя сигнала (ПУ). С выхода этого блока аналоговый сигнал подавался на вход двенадцатиразрядного АЦП и записывался на винчестер ноутбука.
Полоса пропускания микрофона 0,004 Гц - 20 кГц. Коэффициент преобразования микрофона - 0,0322 Па/В. Чувствительность канала регистрации могла варьироваться от
0,003 до 0,3 В/Па.
Микрофон устанавливался на высоте 2 м от поверхности земли и на расстоянии 195 м от заряда. На таком удалении от источника воздушные волны не имели ударного фронта, поэтому частота оцифровки в этих экспериментах была 10 кГц, что ограничивало полосу пропускания канала до 2 кГц.
Типичная регистрограмма воздушной волны от взрыва заряда-сборки из трех рукавов показана на рис. 3. По оси ординат отложено давление в Па, по оси абсцисс время в секундах.
Амплитуда волны составляет 641 Па, длительность положительной фазы волны 17 мс.
Амплитуда воздушной волны при взрыве сосредоточенного заряда на поверхности земли определяется приведен-
ным расстоянием Р/д1/3, где К - эпицентральное расстояние ид- масса заряда. В работе [4] получена зависимость:
Рис. 3. Регистрограмма воздушной волны на эпицентральном расстоянии 195 м. Сборка из трех зарядов с D = 90 мм и воздушным зазором 20 мм
ауз
P = А-(^)1,5, (1)
где R в метрах, q в кг. Для взрыва заряда на скальном грунте А = 5,3х105, для взрыва на мягком грунте А = 2,2х105. Различие коэффициентов А связано с тем, что при взрыве на мягком грунте больше энергии взрыва уходит в грунт и меньше идет на формирование воздушной волны.
Затухание воздушной волны по этим зависимостям на рис. 4 демонстрируют прямые 1 и 2. Точки на рис. 4 соответствуют экспериментам, проведенным с одним, двумя и тремя рукавами. Из рис. 4 видно, что зарегистрированные амплитуды волн «лежат» посередине между зависимостями для скалы и мягкого грунта. Хотя наши экспериментальные взрывы проводились на естественном мягком грунте, лучшего согласия с данными [4] требовать нельзя, так как понятие «мягкий грунт» объединяет большое многообразие природных грунтов с различной плотностью, влажностью и прочностными свойствами. Кроме того, амплитуды волн от взрыва рукавов могут быть больше, чем от взрыва сосредоточенных зарядов на мягком грунте, из-за того, что на начальной стадии взрыва
заряда-рукава воздушная волна не сферическая, а цилиндрическая, и у нее степень затухания меньше, чем при взрыве сосредоточенного заряда.
<!
Рис.4. Зависимость амплитуды воздушной волны от приведенного расстояния. Квадраты - заряды ПАСДТ: 1 - сосредоточенные заряды на скальном грунте, 2 - на мягком грунте [3]
Приведенное выше сопоставление амплитуды воздушных волн от зарядов-рукавов с амплитудой для взрывов сосредоточенных зарядов также подтверждает детонацию Ак-ронита в рукавах и передачу детонации между рукавами в наших экспериментах.
По экспериментальным данным на рис. 4 была получена усредненная зависимость вида (1) с коэффициентом А = 3,41 х105, которая изображена пунктиром. Полученная зависимость может быть рекомендована для расчета безопасных расстояний при проектировании наземных взрывов зарядов-рукавов.
2. Вскрытие ледового покрова рек
В настоящее время вскрытие ледового покрова рек про-изводится МЧС в основном путем подрыва минных зарядов, размещенных на поверхности льда или сбрасываемых авиа-цией на его поверхность. Основное достоинство
этого метода - его оперативность. Но практика показала, что эти взрывы имеют низкую эффективность. Расход ВВ на разрушение 1 м2 льда мощностью около 1 м при этих взрывах составляет около 3 кг ВВ. И это при том, что прочность льда на сжатие менее 25 кг/см2, на изгиб - 10 кг/см2 т, на растяжение - 3 кг/см2,
т.е. крепость льда по М.М. Протодьяконову меньше единицы [5]. Из практики ведения взрывных работ известно, что расход ВВ на дробление горных пород с существенно большей крепостью в настоящее время ниже 1 кг/м3. Например, при взрывах на рыхление глинистых мерзлых сланцев с крепостью около 2-3 расход ВВ составляет 0,78 кг/м3 [6]. Естественно, что в такой ситуации должны существовать пути совершенствования метода взрывного вскрытия ледового покрова рек.
Авторы данной работы предлагают повысить эффективность создания майны (размер площади разрушенной поверхности льда) путем размещения зарядов на глубине, подо льдом. Кроме того, для увеличения майны сосредоточенный заряд заменяется на цилиндрический заряд с низкой погонной плотностью из Акронита в полиэтиленовом рукаве. Дополнительная экономическая эффективность достигается за счет того, что Акронит дешевле традиционных тротилсодержащих ВВ.
Новая методика отрабатывалась в натурных экспериментах при вскрытии естественного ледового покрова мощностью 0,5 м на реке Сольцы Новгородской обл. (взрывы проводились 3 марта 2004 г.) и на реке Великая Псковской обл. (взрывы проводились 23-24 марта 2006 г.). Эффективность взрывов оценивалась по площади майны и объему разрушенного льда. Детонация взрывчатой смеси контролировалась путем регистрации скорости детонации. Кроме того, регистрировалась воздушная волна. Это позволило получить данные для расчета безопасных расстояний при проведении таких взрывов. Кроме того, по амплитуде воздушной волны оценивалась эффективность использования энергии заряда на разрушение льда.
Для вскрытия льда использовались заряды в полиэтиленовых рукавах описанные в первом разделе. Приготовление
смеси Акронита осуществлялось на месте производства работ. На рис. 5 показаны последние приготовления к эксперименту. Заряд погружается в лунку, которая была выпилена бензопилой. Толщина покрова льда на реке составляла около 0,5-0,6 м, глубина реки составляла около 4 м. Ледяной покров был сплошной, ровный, без трещин и торосов. На поверхности льда был снеговой покров размером около 10 см. Лунки имели размер 50x50 см. От нижнего конца заряда идут провода линии подрыва от боевика с электродетонатором, от верхнего
Рис. 5. Погружение заряда на дно реки
конца заряда идут кабели от контактных датчиков измерения скорости детонации. К обоим концам заряда привязаны кирпичи, которые обеспечивали погружение заряда на дно реки.
На рис. 6 показан результат взрыва заряда-рукава на дне реки, на глубине 4 м. Образовавшаяся майна целиком заполнена кусками разрушенного льда. Размеры кусков порядка
мощности ледового покрова. Мелкая фракция в кусках отсутствует полностью. Такое разрушение льда соответствует структуре льда, который состоит из монокристаллов, проросших на всю толщу ледового покрова [5]. При подледном взрыве под действием газового пузыря с продуктами детонации происходит вспучивание ледовой поверхности. В ледовом покрове при изгибе возникают растягивающие напряжения, которые приводят к разрушению льда на монокристаллы. При этом только один характерный размер, толщина льда, сохраняется в образовавшихся кусках. При взрыве подледного заряда не образуется навал вокруг майны.
Рис. 6. Майна от заряда на дне реки
Полученная майна по форме близка к круговой с диаметром 11 м. Расход ВВ при подледном взрыве на разрушение ледового покрова получился 0,105 кг/м2. При мощности ледового покрова 0,5 м получаем удельный расход ВВ на разрушение льда 0,21 кг/м3.
Для сравнения были проведены взрывы зарядов-рукавов, уложенных на ледовой поверхности реки. В результате взрыва образовалась майна, целиком заполненная разрушенным льдом. Часть разрушенного льда образовала вокруг майны небольшой навал. Площадь майны составила около 7 м2. Расход ВВ при накладном взрыве на разрушение ледового покрова получился 1,4 кг/м2, удельный расход ВВ на разрушение (дробление) льда 2,8 кг/м3. Полученный удельный расход ВВ накладных зарядов близок к данным для минных зарядов. Эти цифры также показывают, что эффективность подледных взрывов при вскрытии льда рек в 13 раз выше, чем накладных.
При взрыве заряда-рукава на глубине 2 м майна получилась несколько меньше, чем на глубине 4 м, ее диаметр составлял 10 м.
Были проведены эксперименты с зарядами непосредственно подо льдом (без грузил-кирпичей заряд всплывал и прижимался ко льду). И в этом случае площадь майны была в пять-шесть раз больше, чем от накладного заряда.
Натурные исследования включали также проведение массового взрыва с четырьмя зарядами-рукавами массой по 10 кг. Заряды были опущены на дно реки каждый в свою прорубь, расстояние между зарядами составляло 10 м. Глубина реки в месте проведения взрыва варьировалась от 3 до 4 м. Подрыв зарядов осуществлялся одновременно от одной линии подрыва (без замедления). При массовом взрыве четырех зарядов образовалась единая майна площадью около 400 м2 . Удельный расход ВВ при массовом взрыве оказался не больше, чем при взрыве единичного заряда на глубине 4 м. Освобождение сразу больших площадей реки от ледового покрытия при массовом взрыве делает их более перспективными по сравнению со взрывами единичных зарядов.
В заключение натурных исследований был проведен взрыв сосредоточенного заряда подо льдом. В прорубь на веревке была опушена бочка с 30 кг Акронита. Заряд удерживался на глубине 0,5 м. В отличие от взрывов подо льдом зарядов-рукавов в этом случае наблюдалось образование значительного столба раздробленного льда и воды, поднявшегося на высоту более 50 м. После этого последовал их
разлет. Основная часть кусков мелкодробленого льда и воды упала вокруг образовавшейся майны. Отдельные куски льда улетели на расстояние около 150 м от эпицентра взрыва. В эпицентре взрыва был виден круг мокрого льда с навалом мелких кусков, однако собственно майна имела существенно меньший размер - это круг с диаметром 10 м.
Расход ВВ при этом подледном взрыве на разрушение ледового покрова получился 0,38 кг/м2, удельный расход ВВ на разрушение (дробление) льда 0,76 кг/м3.
Таким образом, взрыв сосредоточенного заряда подо льдом хотя и эффективнее взрывов на поверхности льда, но примерно в 3 раза уступает по эффективности подледным взрывам цилиндрических зарядов-рукавов.
Рис. 7. Воздушная волна при взрыве заряда на глубине 2 м
Все экспериментальные взрывы по вскрытию льда сопровождались регистрацией воздушных волн. На рис. 7 приведена типичная для подледных взрывов регистрограмма воздушной волны при взрыве заряда-рукава массой 10 кг подо льдом на глубине 2 м, записанная на эпицентральном расстоянии 95 м. У волны отсутствует ударный фронт. Ее амплитуда составляет 31 Па, т.е. на порядок меньше, чем для взрывов наземных зарядов-рукавов (см. раздел 1). Длительность положительной фазы волны составляет 51 мс, т.е. в 5 раз больше, чем для наземных взрывов. Такие воздушные волны считаются акустическими. Они сформированы подъемом поверхности льда, который получил импульс от
ударной волны в воде. Согласно оценкам, выполненным по данным работы [8], скорость подъема льда при взрыве на глубине 2 м около 20 м/с. В воздухе такой "поршень” создает волну с амплитудой около 320 Па. Таким образом, акустическая волна подтверждает описанный выше механизм разрушения ледового покрова.
Обратим также внимание, что структура волны на рис. 7 в отличие от воздушной волны при наземном взрыве (см. рис. 3) двухволновая, что характерно для воздушных волн при подводных взрывах заглубленных зарядов и связано с пульсацией в воде газового пузыря продуктов детонации [7]. Из регистрограммы на рис. 7 период пульсаций 0,37 с. По расчету для глубины 2 м период пульсаций составляет 0,56 с [8] - это не-плохое согласие, так как расчет не учитывает дополнительного противодавления ледового покрова.
Когда заряд находился непосредственно подо льдом на нулевой глубине, вторая волна на регистрограмме отсутствовала. Однако амплитуда волны была в несколько раз больше. Очевидно, в этом случае пульсаций не возникало, так как газовый пузырь, находящийся межу водой и льдом, сразу разрушал лед, и газы вырывались в атмосферу.
На рис.8 зарегистрированные амплитуды воздушных волн при взрывах зарядов подо льдом отложены в зависимости от приведенного эпицентрального расстояния. Квадраты соответствуют зарядам на глубине 2 и 4 м, кружки - зарядам подо льдом, на нулевой глубине. Прямая линия соответствует зависимости для амплитуды воздушных волн при наземных взрывах зарядов-рукавов (получена нами, см. раздел 1). Крест - амплитуда воздушной волны при взрыве смеси массой 30 кг в бочке на глубине 0,5 м.
Из приведенного рисунка следует, что при подледных взрывах амплитуды воздушны волн в несколько раз меньше, чем при наземных. Из рис. 8 можно оценить массу эквивалентного наземного заряда (по аналогии с тротиловым эквивалентом), который создает воздушную волну такой же амплитуды, как подледный взрыв. Расчет показывает, что масса эквивалентного заряда для подледного заряда составляет 0,8 кг, а для заряда на дне реки около 0,01 кг. Так как при этих взрывах массы зарядов составляли 1 0 кг, можно
считать, что при подледном заряде эквивалент взрыва по воздушной волне составлял 0,08, а заряда на дне реки составлял 0,001. Обычно считается, что при наземном взрыве на формирование воздушной волны идет почти 100 % энергии заряда, тогда при взрыве заряда-рукава на дне реки на формирование воздушной волны идет 0,1 % энергии заряда, а при подледном взрыве на нулевой глубине 8 % энергии заряда. Следовательно, большая часть энергии при этих подледных взрывах расходуется на генерацию гидроакустической волны, образование пузыря и майны. Таким образом, результаты исследования воздушных волн при подледных взрывах зарядов-рукавов подтверждают эффективность таких зарядов для вскрытия ледового покрова.
Данные, приведенные на рис. 8, показывают, что безопасные расстояния для подледных взрывов существенно меньше, чем для наземных. Для расчета безопасных расстояний по
Рис.8. Зависимость амплитуды воздушной волны от приведенного расстояния: 1 - для зарядов ПАСДТ на грунте, квадраты - на дне реки, кружки - подо льдом, крест - сосредоточенный заряд подо льдом
воздушной волне можно рекомендовать полученные эквиваленты подледных взрывов и зависимость амплитуды воздушной волны от приведенного расстояния, полученную для наземных взрывов зарядов-рукавов.
Выводы
1. В работе предложены и опробованы в натурных условиях новые технологии для борьбы с пожарами и вскрытия ледового покрова рек.
2. В основе этих технологий использование зарядов из Акронита в полиэтиленовых рукавах.
3. Расход ВВ на создание противоогневых траншей 5 кг на погонный метр.
4. Расход ВВ на создание майны 0,105 кг на квадратный метр.
5. Для обеспечения безопасности применения этих технологий получены данные об амплитудах воздушных волн при наземных и подледных взрывах.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шведов К.К. Современное состояние и проблемы использования энергии взрыва в горнодобывающей промышленности // Сб. Физические проблемы разрушения горных пород. Труды IV Международной научной конференции. - М.: ИПКОН РАН, 2005. - С. 51-62.
2. Гончаров А.И., Державец А.С., Куликов В.И., Фильчаков А.Н. Исследования детонации смеси ПАСДТ в полиэтиленовых рукавах. Там же.
3. Безопасность при взрывных работах. Изд-во Госгортехнадзора России. Сер.13, вып. 1. 2002, 248 с.
4. Цейтлин Я.И., Смолин Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. - М.: Недра, 1981. - 192 с.
5. Лавров В.В. Деформация и прочность льда. - Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1969. - 208 с.
6. Миндели Э.О. Разрушение горных пород. - М.: Недра. 1974. - 600 с.
7. Коул Р. Подводные взрывы. ИИЛ, 1959.
8. Коробейников В.П., Христофоров Б.Д. Подводный взрыв. Итоги науки и техники. Гидромеханика. - 1976. - т.9. - С. 54-120.
і— Коротко об авторах------------------------------
Гончаров А.И., Державец А.С., Куликов В.И., Фильчаков А.А. -ИДГ РАН, ЗАО “Взрывиспытания”.
А_________
------------------------ © М.Г. Менжулин, А.А. Ивановский,
2007
М.Г. Менжулин, А.А. Ивановский
РАЗВИТИЕ ОЧАГОВ РАЗРУШЕНИЯ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СЕЙСМОВЗРЫВНЫХ УДАРНЫХ ВОЗДУШНЫХ ВОЛН
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике количественной оценки сейсмического и воздушного ударного действия взрыва преобладает использование критерия допустимой скорости смещения частиц в волне возмущения в функции расстояния (от места взрыва до пункта наблюдения) и массы заряда.
Анализ состояния зданий и сооружений, расположенных на подвергаемых техногенному воздействию взрывных работ (ВР) территориях в г. Каменногорске, и оценка результатов контрольных замеров реакций конструкций пока-
