ВЗРЫВНОЕ ДЕЛО ТЕМА: ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ В ГРУНТАХ И СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ 2 ВЗРЫВНОЕ ДЕЛО ТЕМА: ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ В ГРУНТАХ И СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ Методическая разработка 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение ................................................................................................................... 4 Глава первая Общие положения по организации взрывных работ в грунтах и скальных породах……………..……………………………………….5 Глава вторая Применение взрывов в грунтах для решения задач инженерного обеспечения ...................................................................................... 6 2.1 Взрывные работы в грунтах ............................................................................. 9 2.2 Закладка сосредоточенных зарядов в грунт, устройство колодцев и скважин................................................................................................................... 15 2.3 Способы устройства зарядных камер и их забивка ..................................... 21 Глава третья Взрывы зарядов в разнородных (слоистых) грунтах и скальных породах………………………………………………………………..23 Список литературы ............................................................................................... 25 4 ВВЕДЕНИЕ В ходе выполнения ряда задач инженерного обеспечения (фортификационное оборудование позиций и районов в условиях мерзлых грунтов, скальных пород, при прокладке дорог, при заготовке щебня для строительных работ и т.п.), инженерным войскам (родам войск) приходится производить взрывные работы в грунтах и скальных породах. Наряду с применением взрывчатых веществ в ходе боевых действий они находят применение и как средство для выполнения наиболее трудоемких и сложных задач в мирное время. Взрывы используются в горнорудной промышленности при разработке угля, руды и других полезных ископаемых, при строительстве гидротехнических сооружений, при строительстве туннелей и т.п. В СССР были произведены уникальные взрывы в 1966 – 1967 годах в районе урочища Медео в целях защиты города Алма-Аты от селевых потоков. Первая серия взрывов была произведена 21 октября 1966 года. Было взорвано свыше 5000 тонн ВВ. Вторая серия взрывов была произведена 14 апреля 1967 года, при этом взорвано 4000 тонн ВВ. В результате взрывов образована плотина высотой 90 метров, шириной в основании 400…500 метров, которая в последующие годы надежно защищала город от заноса селем. 5 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В ГРУНТАХ И СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ. Подрывные работы в грунтах и скальных породах производятся в целях: инженерного оборудования позиций (отрывка траншей, ходов сообщения, укрытий, котлованов для фортификационных сооружений и т. п.); устройства заграждений; строительства устройства колодцев, шахт, галерей и других под* земных выработок; разрушения добычи дорог, земляных плотин и других инженерных сооружений; фортификационных сооружений противника; строительных материалов (камня, щебня и т. п.). Подрывные работы выполняются путем: разрушения рыхления и выброса грунта (породы); грунта (породы) без выброса; образования пустот (полостей) в массиве грунта (породы) Соответственно перечисленным способам выполнения подрывных работ в грунтах и скальных породах применяемые для этого заряды ВВ делятся на следующие виды: заряды выброса; заряды рыхления; камуфлеты (заряды для образования пустот и разрушения подземных и заглубленных сооружений). По форме заряды перечисленных видов могут быть сосредоточенными или удлиненными. При подрывании грунтов и скальных пород удлиненными считаются такие заряды, длина которых превышает их наименьшие поперечные размеры в 30 раз и более. 6 2. ПРИМЕНЕНИЕ ВЗРЫВОВ В ГРУНТАХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ИНЖЕНЕРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Использование энергии взрыва для решения задач инженерного обеспечения боевых действий войск в ряде случаев может быть единственно возможным способом их решения, например, при выполнении работ в твердых и скальных породах, при быстром разрушении тех или иных сооружений, при добыче строительных материалов (камня, щебня) и т.п. Военно-инженерные взрывные работы в грунтах своими корнями уходят в глубь прошедших веков. Еще в 1552 году русские минеры при осаде Казани блестяще решили сложные вопросы расчета пороховых зарядов. По приказу царя Ивана Грозного были прорыты три подкопа к стенам крепости Казани. Каждая минная камера подходила к стене Кремля и находилась на глубине от поверхности земли на 15,8 м. В каждую минную камеру было заложено по 3900 кг пороха, взрыв заряда разрушил земляную толщу и стену крепости. В современных условиях, выполняя задачи инженерного обеспечения, взрывные работы в грунтах служат главным образам для задержки продвижения противника, вывода из строя его живой силы и боевой техники. Они применяются в целях: - инженерного оборудования позиций, районов расположения войск (отрывка траншей, ходов сообщения, укрытий, окопов, котлованов для фортификационных сооружений и т. п.); - устройства заграждений (противотанковые рвы, воронки, завалы и т.п.); - строительства дорог, земляных плотин и других инженерных сооружений; - устройства колодцев, шахт, галерей и других подземных выработок; - разрушения фортификационных сооружений противника; - добычи строительных материалов (камня, щебня и т.п.). 7 Рассмотрим целесообразность применения зарядов ВВ на примере устройства окопов для танков при фортификационном оборудовании районов обороны. С помощью ВВ можно значительно ускорить производство земляных работ, особенно в грунтах, тяжелых для разработки шанцевым инструментом. Применение ВВ в грунтах средний категории даст максимальный эффект при отрывке окопа для танка. При этом время на отрывку сокращается в 3-4 раза. Так, на отрывку одного танкового окопа танк, оснащенный бульдозерным оборудованием (БТС) затратит 20…30 минут. На отрывку окопа взрывным способам экипаж танка может затратить 60…90 минут. Однако ВВ может стать массовым средством, т.е. применить ВВ для отрывки окопов могут одновременно все экипажи подразделения, в то время как БТС монтируется из расчета один на танковую роту (10 танков). Тогда одновременное применение ВВ всеми десятью экипажами окажется в несколько раз производительнее и окопы в этом случае будет отрыть взрывным способом в два…три раза быстрее, чем с помощью танкового бульдозера. Многочисленные примеры из опыта Великой Отечественной войны показывают, что окопанные танковые подразделения успешно отражали атаки танков противника при его пяти, восьми и даже десяти кратном превосходстве. Таким образом, даже простейшее открывание огневого сооружения в виде окопов (траншей) дает значительные огневые и тактические преимущества, расположенным в них мотострелковым, артиллерийским, танковым и другими подразделениям. Этот наглядный пример дает возможность сделать вывод, что большое значение для армии имеют простые массовые средства механизации по сравнению с одиночными машинами, т.е. необходимо оснащение машин бульдозерных оборудованием. 8 Ввиду отсутствия в войсках на боевых машинах средств самоокапывания необходимо в мирное время обучать рода войск способам применения и выполнению простейших задач с применением ВВ и СВ с целью быстрого устройства открытых огневых сооружений. 9 2.1 ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ В ГРУНТАХ Взрывные работы в грунтах и скальных пород выполняются путем: - рыхления грунта (породы) без выброса; - разрушения и выброса грунта (породы); - образования пустот (полостей) в массиве грунта (породы). Соответственно перечисленным способам выполнения взрывных работ в грунтах и скальных породах применяемые для этого заряды ВВ делятся на следующие виды: - заряды рыхления; - заряды выброса; - камуфлеты (заряды для образования пустот и разрушения подземных и заглубленных сооружений). По форме заряды перечисленных видов могут быть сосредоточенными или удлиненными. При взрывных работах в грунтах удлиненными считаются такие заряды, длина которых превышает их наименьшие поперечные размеры в 30 раз и более. Рассмотрим действие взрыва заряда, помещенного в грунт или скальную породу. Наиболее сильное разрушительное и метательное действие взрыва заряда ВВ, помещенного в грунт или скальную породу, наблюдается в направлении ближайшей к заряду свободной поверхности. В этом направлении разрушаемый грунт (порода) оказывает наименьшее сопротивление действию взрыва. Расстояние от центра заряда до ближайшей к заряду свободной поверхности, ограничивающей массив грунта (породы), называется линией наименьшего сопротивления (ЛНС) и обозначается - h. При закладке заряда со стороны ближайшей свободной поверхности ЛНС являются одновременно и глубиной заложения заряда (рис. 1). Разрушительное действие взрыва заряда, заложенного в грунт или 10 скальную породу, характеризуется показателем действия взрыва п, представляющим собой отношение радиуса воронки r к ЛНС n r h (1) Рис. 1. Соотношения межу ЛНС (h) и глубиной заложения заряда h1: а и б – ЛНС и глубина заложения заряда совпадают; в - ЛНС равна глубине заложения; г - ЛНС меньше глубины заложения В практике в зависимости от величины п различают следующие виды разрушительного действия взрыва заряда, заложенного в грунтах: при п 1,0 - рыхление; при п 1, 0 - выброс грунта; п = 0 - камуфлет. Основными характеристиками эффекта взрыва заряда, заряженного в грунт, являются радиус воронки r, измеряемый в плоскости поверхности грунта, видимая глубина воронки р, измеряемая от поверхности грунта до дна воронки, радиус зоны разрушения грунта R, радиус зоны вытеснения грунта RВ и радиус зоны опасного сотрясения Rсотр. При взрыве зарядов, помещенных в грунт (породу), на поверхности грунта не всегда образуется воронка. Минимальная глубина заложения заряда, при которой воронка на свободной поверхности не образуется (п=0), а наблюдается только некоторые вспучивание грунта (породы), называется 11 критической глубиной. Заряд, заложенный на критической глубине hкрит, называется предельным зарядом рыхления. Заряды, расположенные на глубинах, превышающих критическую глубину, называется камуфлетами. Рис. 2. Схема воронок выброса при различных значениях показателя действия взрыва: 1 – положение заряда Масса ВВ сосредоточенных зарядов определяется по формуле: С = К· M· h3 , (кг) (2) Для удлиненных зарядов Су = К· Mу ·h2 , (кг) (3) Где: С - масса сосредоточенного заряда в кг; Су - погонный вес УЗ, кг/п.м.; К - удельный расход ВВ, зависящий от свойств грунта (табл. 1); М, Му – коэффициенты, зависящие от показателя действия взрыва; h - линия наименьшего сопротивления в метрах. Механическое действие взрыва заряда камуфлета выражается: - в образовании полости (пустоты) или зоны вытеснения грунта (породы); - в дроблении (разрушении) грунта (породы) с нарушением связности частиц в пределах определенной зоны, называемой зоной разрушения; - в сотрясении грунта (породы) с разрушением или повреждением расположенных в нем сооружений в пределах некоторой зоны, называемой зоной опасного сотрясения. Таблица 1 12 Значения удельного расхода взрывчатого вещества К (при ВВ нормальной мощности *) Наименование грунтов и скальных пород Свеженасыпанная рыхлая земля Растительный грунт Супесок Суглинок Песок плотный или влажный Глина Сыпучий песок Крепкие глины, лёсс, мел, гипс, туфы трещиноватые, плотная тяжелая пемза, конгломерат и брекчии на известковом цементе Песчаник на глинистом цементе, сланец глинистый, известняк, мергель, плотная карбоновая глина Значение К, кг/м3 0,37—0,47 0,47—0,81 0,80—1,10 0,97—1,19 1,19— 1, 27 1,17—1,28 1,51—1,69 1,28—1,50 1,28—1,64 Песчаник на известковом цементе, доломит, известняк, магнезит, 1,28—1,78 крепкий мергель Крепкие песчаники и известняки 1,36—2,00 Гранит, гранодиорит 1,78—2,28 Кварцит 1,78—2,00 Базальт, андезит 1,78—2,28 Порфирит 2,00—2,15 Бетон строительный 2,00—2,60 Железобетон (выбивание бетона) 6,8 * Для аммонитов значения К увеличиваются в 1,2 раза, а для аммиачной селитры и динамонов — в 1,8 раза. Указанные зоны при сосредоточенных зарядах имеют форму сферы, а при удлиненных - форму эллипса. Радиус зоны вытеснения грунта (породы) от взрыва заряда камуфлета определяется по формуле: Rвыт = m·r0 ,(м) (4) Где: т - коэффициент, зависящий от свойств и формы ВВ; r0 – радиус заряда в метрах, вычисляемый по формулам: для сосредоточенных зарядов 3 r0 C 18,7 r0 Су 70 (5) для удлиненных зарядов (6) 13 Рис. 3. Схема механического действия взрыва камуфлета: 1 — заряд; 2 — зона вытеснения; 3 — зона разрушения; 4 — зона опасного сотрясения Радиус зоны разрушения грунта (породы) R при взрыве заряда камуфлета определяется по формуле: - для сосредоточенных зарядов R 1,133 C K , (м) (7) - для удлиненных зарядов R 1,2 Cу K , (м) (8) Радиус зоны разрушения, образуемой в грунте (породе) взрывом заряда рыхления или заряда выброса, определяется по формулам: для сосредоточенных зарядов: R 1,133 C n (1 ) K 18 (9) для удлиненных зарядов: 3 Cу n R 1,2 (1 ) K 3 (10) 14 Для сооружений из дерева, кирпича и бутового камня, расположенных в обычных (земляных) грунтах, радиус опасного сотрясения примерно в полтора раза больше радиуса зоны разрушения грунта, (Rоп.сотр = 1,5·R, м). 15 2.2 ЗАКЛАДКА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЗАРЯДОВ В ГРУНТ, УСТРОЙСТВО КОЛОДЦЕВ И СКВАЖИН Для закладки сосредоточенных зарядов в грунт (породу) устраиваются колодцы (шурфы) и скважины. Они могут отрываться вручную, при помощи механических средств или взрывным способом. При глубине колодца более 1 м в них устраивают ступеньки, на уровне дна колодца в боковой стенке отрывается камера для закладки заряда. При устройства колодцев вручную их отрывают с применением шанцевого инструмента в виде усеченной трапеции с устройством зарядной камеры, (рис. 4). 2 Рис. 4. Колодец для закладки сосредоточенного заряда в грунт: 1 - заряд ВВ; 2 – детонатор; 3 - СЗ-1Э (ДШ); 4 – ЗТП; 5 - забивка В заряд, уложенный в камеру колодца, вставляют зажигательную трубку или электродетонатор, а затем осторожно, сначала руками, а потом лопатой засыпают заряд мелким грунтом; при этом особое внимание необходимо обращать на то, чтобы капсюль-детонатор (ЭД) был закрыт слоем рыхлого грунта толщиной не меньше 5…10 см. После того, когда над зарядом будет насыпан слой мягкого грунта толщиной не мене 0,5 м, грунт утрамбовывается. При этом необходимо 16 внимательно следить за сохранением в целости всех элементов взрывной сети. Огнепроводный и детонирующий шнур и провода электродетонаторов выводятся наверх по углам шурфа и засыпаются рыхлым грунтом. Колодцы засыпаются до уровня поверхности грунта с периодической его утрамбовкой. Для повышения безопасности работ по закладке зарядов целесообразно применять бескапсюльное взывание с применением детонирующего шнура или заряда СЗ-1Э. Взрывается СЗ-1Э огневым или электрическим способом. Взрывной способ устройства зарядных камер (котлов) в шпурах применяется при производстве взрывных работ в связных грунтах (глина, лёс и др.), а также в меловых и скальных породах. Шпуры выделываются при помощи перфораторов или кумулятивных зарядов. Масса сосредоточенного заряда для устройства зарядной камеры (котла) в шпуре определяется по формуле: Ck 2C 3 m (11) Где: Ck – масса заряда, необходимого для устройства зарядной камеры; С - масса заряда, для которого устраивается зарядная камера; т - коэффициент, зависящий от свойств грунта. Проектирование и выполнение взрывных работ по выбросу грунта для устройства окопов, котлованов под укрытия слагается из следующих этапов: 1) расчет зарядов и их взаимное расположение на месте взрыва; 2) отрывка шурфов и устройство зарядных камер; 3) изготовление зарядов; 4) заряжание камер, устройство взрывных сетей, забивка, взрыв. Для устройства отдельных воронок и котлованов для небольших сооружений сосредоточенный заряд рассчитывается по формуле (2). Показатель действия взрыва п берется в пределах п = 1,5…3,0 (в войсковой практике принимаем п = 2,0). 17 Для устройства канав и противотанковых рвов треугольного или близкого к нему профиля применяются взрывы одиночных удлиненных зарядов. Расчет зарядов производителя по формуле (3). Показатель действия взрыва берется в пределах пу=2,0…3,5 (наивыгоднейшее значение пу=2,7). При выбросе грунта (породы) вверх некоторые части его падают обратно в воронку. Вследствие этого видимая (окончательная) глубина воронки всегда будет меньше ее первоначальной глубины. Наибольшая видимая глубина воронки р определяется по формуле: p = a·n·h = a·r , (м) (12) Где: а - коэффициент, зависящий от свойств грунта. Он принимается равным: а = 0,4…0,45 – для сухого песка; а = 0,45 … 0,55 – для влажного песка и суглинка; а = 0,5… 0,6 – для глины; а = 0,6… 0,7 – для скальных пород и бетона. В скальных породах и бетоне видимая глубина воронки равна линии наименьшего сопротивления h, т.е. р = h. Основная часть грунта, разбрасываемого в стороны, падает в непосредственной близости от воронки, образуя кольцевой вал вокруг нее. Наибольшая высота вала может быть определена по формуле: t = 0,15r (13) А наибольшая дальность развала породы (или радиус внешней границы вала) находится по формуле: l = (5 - 7) r , (м) (14) Отдельные куски грунта (породы) летят за пределы внешнего радиуса границы вала и разбрасываются на дальность, которая зависит от величины показателя действия взрыва. Наибольшая дальность разлета отдельных кусков определяется по формуле: 18 L = 140 n h , (м) (15) От взрыва зарядов, расположенных на поверхности грунта (наружные заряды), так же образуются выемки: от сосредоточенного заряда – воронка в виде параболоида; от удлиненного заряда – ров треугольного профиля. Масса наружных зарядов, необходимых для образования воронок (рвов) в грунтах и скальных породах, определяется по формулам: С 18Kr 3 (16) C у 7Kr 2 (17) Где С - масса сосредоточенного заряда в кг; Су - погонный вес УЗ, кг/п.м.; К - удельный расход ВВ, зависящий от свойств грунта; r – радиус воронки или половина ширины рва в метрах. Видимая глубина воронки определяется по формуле (12), для бетона а = 0,15 - 0,2 остальные показатели аналогичны, как и при взрыве в грунте. При устройстве котлованов для фортификационных сооружений, укрытий для боевой техники, взрыва одиночного или удлиненного заряда недостаточно, в этом случае приходится подготавливать и взрывать несколько зарядов одновременно, которые могут расположиться в несколько рядов. Расстояние между зарядами в ряду и между рядами, при взрыве которых образуется котлован с видимой глубиной как от одиночного взрыва – называется нормальным расстоянием аn. Нормальное расстояние аn определяется по формуле: an 0,7h n 2 1 , (м) (18) 19 Рис. 5. Схема расположения сосредоточенных зарядов в один ряд: 1 – заряды ВВ Рис. 6. Схема расположения сосредоточенных зарядов в три ряда При этом ширина рва понизу будет составлять: Внижн = ап (19) Вверхн = Внижн + 2r (20) При трех рядах показатель действия принимается на 0,5 больше, чем для рядов крайних. взрыва среднего ряда 20 Взрыв зарядов среднего ряда целесообразно производить с замедлением в 1-2 секунды. Более трех рядов зарядов применять не рекомендуется. 21 2.3. СПОСОБЫ УСТРОЙСТВА ЗАРЯДНЫХ КАМЕР И ИХ ЗАБИВКА Рыхление скальных пород взрывным способом производится при возведении подземных сооружений, устройстве выемок и котлованов, при выполнении планировочных работ, добыче строительных материалов, при устройстве траншей и ходов сообщения, при производстве обвалов на горных дорогах. При рыхлении скальных грунтов наиболее распространен метод шпуровых зарядов. При шпуровом методе производства взрывных работ применяются цилиндрические заряды, которые закладываются в шпуры. Шпуровой метод применяется как на открытых, так и на подземных разработках. Шпуровой метод используется для добычи строительных матёриалов из горных пород, мощность пласта которых не превышает 4…5 м, для рыхления мерзлого грунта и скальных пород при возведении траншей и ходов сообщения, для дробления отдельных крупных камней, а также в тех случаях, когда по условиям производства работ не допустимо применение крупных зарядов. Разработка пород в карьерах ведется уступами: шпуры располагаются параллельно забою (открытой поверхности разрабатываемой породы) в один или несколько рядов. При расположении зарядов в несколько рядов заряды (шпуры) располагаются в шахматном порядке. Длина шпура l принимается, как правило, равной высоте уступа Н, однако при слабых породах она может быть на 5…10 % меньше высоты уступа (недобур), а при очень крепких породах ее следует, как правило, делать на 10…15 % больше высоты уступа (перебур). Расстояние между осью шпура и забоем для зарядов первого ряда является расчетной линией наименьшего сопротивления h. Для уступов, высота которых Н < 3 (м), она вычисляется по формуле: h = (1,12 - 0,225 Н) Н , (м) (21) 22 а при 3,0 < H < 5,0 (м) принимается h = 0,45 Н, (м) (22) При расположении шпуров в несколько рядов расстояние между рядами принимается равными h. Расстояние а между шпурами в рядах (вдоль уступа) принимаются от 1,4 до 2,0 h, меньшее значение принимается при прочных породах и в тех случаях, когда требуется обеспечить мелкое дробление; когда требуется обеспечить особо мелкое дробление породы, расстояние между шпурами уменьшают до 0,8h. Масса шпуровых зарядов определяются по формулам: для сосредоточенного заряда – (2); для удлиненного заряда – (3). Масса шпурового заряда в случаях, когда требуется только отколоть породу, может быть уменьшена в 1,5 раза. Бурение шпуров в твердых породах производится пневматическими и электрическими перфораторами или ручными сверлами и молотками. В мягких породах бурение шпуров может производиться пневмосверлами и электросверлами или ручными земляными бурами. Перед заряжанием шпуров проверяют их длину и диаметр. При помощи специальной ложки очищают их от буровой муки и посторонних предметов. Сырые и мокрые шпуры заряжают патронами порошкообразного ВВ или буровыми шашками. Сухие шпуры можно заряжать порошкообразным ВВ путем засыпки. Забивку шпуров производят сначала пластичной песчано-глинистой смесью, а затем песком или буровой мукой. Влажные шпуры с негигроскопичными ВВ вместо забивки можно заливать водой. 23 4. ВЗРЫВЫ ЗАРЯДОВ В РАЗНОРОДНЫХ (СЛОИСТЫХ) ГРУНТАХ И СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ На практике при выполнении задач инженерного обеспечения боя приходится иметь дела с разнородными грунтами. Расчет зарядов производится по формулам: для сосредоточенного заряда – (2); для удлиненного заряда – (3). Но при измененном расчетом значении удельного расхода ВВ Красч. , которое определяется по формуле: (23) Где: К1, К2, К3, – значения удельного расхода К для первого, второго, третьего и т.д. слоев (рис. 7); Z1, Z2, Z3 – толщина первого, второго, третьего и т.д. слоев. Нумерация слоев производится снизу вверх, при этом толщины всех слоев, кроме первого, измеряются непосредственно, а толщина первого слоя вычисляется по формуле: z1 = h – ( z2 + z3 + …) (24) Для мерзлых грунтов значение К, определенное по табл. 1, увеличивается в полтора раза. Для скальных пород и сухих несвязных грунтов (галька, дресва, щебень, песок), неспособных увеличивать при замерзании первоначальную прочность, К во всех случаях принимается по табл. 1. Рис. 7. Схема определения расчетного удельного расхода ВВ Красч: 1 – заряд ВВ свою 24 Рис. 8. Схема расположения сосредоточенных зарядов в два ряда: 1 -заряды 25 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. М., «Машиностроение», 1972 г., - 208 с. 2. Покровский Г.И. Взрыв. Издание четвертое, переработанное и дополненное. М., «Недра», 1988 г., - 190 с. 3. Руководство по подрывным работам. МО СССР. М., Воениздат, 1969 г., - 464 с. 4. Саламахин Т.М. Физические основы механического действия взрыва и методы определения взрывных нагрузок. М., ВИА, 1974 г., - 256 с. 26 Для заметок 27 Для заметок