Экспериментальные исследования укрытий мест взрыва грунтом на строительстве автомобильных дорог

При строительстве выемки на обходе федеральной автомобильной дорогой «Амур» посёлка Теплоозёрск в 2007 г. ОАО «Амурвзрывпром» с нашим участием был выполнен ряд экспериментальных промышленных массовых взрывов под укрытием в виде матов из сетки «Рабитца» с грунтовой пригрузкой. Выемка объёмом более 300 тыс. м³ сооружалась в доломитах VIII категории крепости по СНиП на крутом склоне сопки. Ближайшие жилые дома посёлка расположены у её подножия и удалены от края выемки на расстояние около 80 м, поэтому для обеспечения безопасности на строительстве дороги взрывные работы могли проводиться только способом, исключающим разлёт кусков горной массы в сторону посёлка.

Первый экспериментальный блок объёмом 3 334 м³ обурен 57 скважинами диаметром 110 мм, глубиной 7 м, расположенными по сетке 3×3 м в семь рядов. Длина заряда 4,1 м при массе его 35.5 кг, длина забойки — 2,9 м (25 диаметров скважины); суммарный расход ВВ (граммонита 79/21) составил 2 023,5 кг, средний удельный расход ВВ по блоку — 0,61 кг/м³; площадь укрытия сеткой «Рабитца» — 684 м².

Зарядку блока и монтаж укрытия производили следующим образом. Скважины заряжали вручную с размещением боевика в верхней части заряда. Детонирующий шнур (ДШ) от боевика укладывали в углублении верхней части забойки для предотвращения его от повреждений при монтаже укрытия. После этого на поверхности уступа укладывали сетку «Рабитца» с ячейкой 50×50 мм с перекрытием за края блока на 2,3−2,5 м. По периметру блока сетку пригружали объёмами грунта массой 5−6 т, разделяя на две части грунт из автосамосвала (рис. 2.3, а). Так было сформировано укрытие блока в виде металлической сетки на поверхности блока, защемлённой по краям грунтом (рис. 2.3, б).

Через ячею сетки извлекали ДШ из скважин и проводили монтаж взрывной сети с помощью пиротехнических реле РП-Н: последовательно собирали порядную схему многорядного короткозамедленного взрывания (МКЗВ) с замедлением между рядами в 20 мс от первого врубового ряда скважин, расположенного с противоположной от посёлка стороны, к минной станции.

Рис. 2.3. Формирование укрытия пригрузкой сетки по контуру блока грунтом: а — размещение грунта; б — общий вид укрытого блока Массовый взрыв первого экспериментального блока был проведён 25.07.07. Видеосъёмку осуществляли цифровыми видеокамерами типа NVGS25 с 24-х кратным оптическим увеличением и скоростью съёмки 25 кадр/с. Левая камера была расположена на северном борту выемки на расстоянии около 70 м от взрываемого блока, правая — на западном борту на расстоянии около 80 м. На рис. 2.4 приведены наиболее характерные видеокадры развития взрыва, снятые правой камерой (время от начала развития взрыва приведено под кадрами).

В целом по съёмке можно отметить, что отсутствие ветра способствовало зависанию над местом взрыва пылегазовых выбросов, что ухудшало видимость перемещения элементов укрытия и взорванной горной массы. На кадрах 1 840 мс виден формирующийся выброс из скважин и начало разлёта камней в стороны (выделено овалами). С 2 080 мс зафиксирован подброс сетки укрытия, одновременно идёт подъём горной массы и разлёт камней как в нижней, так и в верхней частях взрываемой горной массы в разные стороны вплоть до 6 000 мс. Падение камней в районе блока продолжалось до 7 000 мс.

После взрыва сетка укрытия располагалась по контуру блока, в районе пригрузки грунтом (отмечено овалом на последнем видеокадре). По центру блока она была разрушена, что и вызвало такой значительный разлёт кусков горной массы. Повреждений домов не зафиксировано ввиду их достаточной удалённости от места взрыва.

Рис. 2.4. Видеограмма развития экспериментального массового взрыва.

Укрытие поверхности блока металлической сеткой с зажимом её грунтом по контуру блока (1б-3б-4г-5ж) оказалось неэффективным в части предотвращения разлёта кусков горной массы на таких больших площадях: сетка разрушается горной массой и камни разлетаются в стороны. Поскольку отмечено снижение в целом разлёта кусков горной массы, такое укрытие может быть рекомендовано только для снижения радиуса разлёта кусков, полностью исключить разлёт кусков оно неспособно.

Второй экспериментальный блок был расположен вдоль откоса выемки (рис. 2.5), имел 54 скважины диаметром 110 мм, расположенные в семь рядов, с увеличивающейся глубиной в первых четырёх рядах.

Рис. 2.5. Параметры скважинных зарядов второго экспериментального блока.

10 скважин первого ряда с зарядом длиной 0,5 м и массой 4,5 кг располагались у откоса выемки по сетке 2×2 м. Суммарная масса зарядов этих скважин составила 45 кг при объёме взрываемых пород 80 м³. Скважины остальных рядов располагали по сетке 3×3 м. 7 скважин второго ряда с зарядом длиной 2,1 м и массой 20,5 кг имели суммарную массу 143,5 кг при объёме взрываемых пород 271 м 8 скважин третьего ряда с зарядом длиной 4,0 м и массой 40,5 кг имели суммарную массу 324 кг при объёме взрываемых пород 504 м³. 29 скважин остальных рядов с зарядом длиной 5,0 м и массой 50,5 кг имели суммарную массу 1 464,5 кг при объёме взрываемых пород 2 088 м³. Объём взрываемого блока — 2 943 м³, площадь укрытия сеткой «Рабитца» — 510 м², расход граммонита 79/21 — 1 977 кг при среднем удельном расходе ВВ по блоку — 0,67 кг/м³.

Зарядку блока и размещение сетки укрытия производили аналогично первому экспериментальному блоку, но сетку пригружапи грунтом по всей площади, высыпая его отдельными объёмами из автосамосвалов между линиями ДШ поверхностной взрывной сети (рис. 2.6, а). При этом на скважины меньшей глубины пригрузку увеличивали, размещая навал грунта более часто (рис. 2.6, б). Необходимо отметить сложность процесса размещения грунта на сетку, под которой проложена поверхностная сеть ДШ: автомобиль КамАЗ с трудом вписывается в габариты сетки скважин.

3x3 м. Общая масса грунта на сетке укрытия составила 60 т, удельная масса укрытия в целом по блоку — 117 кг/м².

Рис. 2.6. Пригрузка сетки газопроницаемого укрытия грунтом {а) и общий вид блока с грунтовым укрытием (6).

После размещения грунта поверх сетки укрытия проводили монтаж взрывной сети от первого ряда скважин к минной станции по порядной схеме с замедлением между рядами в 20 мс. Таким образом, врубовым является ряд скважин у откоса выемки. Для масштабирования взрыва перед блоком была размещена автошина от автомобиля КамАЗ диаметром около метра.

Массовый взрыв второго экспериментального блока был проведён 25.05.07. Одна видеокамера располагалась на северном борту выемки на расстоянии около 100 м от взрываемого блока с наветренной стороны, вторая — вблизи южной окраины выемки, причём от первой камеры не были видны два первых ряда скважин из-за откоса выемки.

На рис. 2.7 показаны характерные кадры развития взрыва на блоке с газопроницаемым укрытием (1а-3б-4г-5ж, а) при порядном взрывании шестью ступенями замедления.

На кадрах 400 мс видны резкие выбросы забойки в виде узких высоких столбов из отдельных скважин на высоту от 7,5 до 12 м (масштаб левой камеры 10 пикселей/м, правой — 8 пикселей/м). К 1 680 мс обе камеры фиксируют мощные выбросы (выделено овалами), крупные куски продолжают интенсивно подниматься вверх на высоту 16−20 м и за пределы кадра.

Рис. 2.7. Видеограмма развития второго экспериментального массового взрыва.

Правая камера фиксирует на 1 680 мс локальный выброс в центре взрыва, возможно часть сетки укрытия с горной массой. Вверху выбросы начинают отклоняться в стороны (выделены овалами), занимая к 4 960 мс значительную часть вверху кадра и выходя за пределы взрываемого блока. Видно смещение крупных кусков достаточно далеко за пределы блока.

На кадре 6 640 мс на левой камере появляется падающий кусок размером 0,6×0,8 м объёмом около 0,3 м³, а на правой камере — кусок размером 0,5×0,5 м объёмом около 0,13 м³. Они прослеживаются достаточно долго, что позволило подсчитать приблизительную высоту их подброса — 30 м. Падение мелких кусков прослеживается на фоне дыма вплоть до 9 760 мс.

Второй экспериментальный взрыв показал, что укрытие блока сеткой «Рабитца» с пригрузкой её по всей площади отдельными объёмами грунта с крупными камнями не только не исключает разлёт кусков горной массы, а наоборот: выбросы крупных камней, объёмом 0,13−0,3 м³ достигают высоты 30−50 м и отброс в сторону за пределы блока (в пределах кадра видеосъёмки) достигает 20 м и более. И это при том, что размещение грунта поверх сетки, под которой уложен детонирующий шнур, представляет собой достаточно сложный процесс.

Третий экспериментальный блок объёмом 2 772 м³ обурен 32 скважинами диаметром 110 мм и глубиной 9−11 м, расположенными в семь рядов. Заряды рассредоточены инертным материалом по высоте.

Масса зарядов в скважинах изменялась от 43,5 до 53,5 кг. Длина разделяющего заряд промежутка из забоечного материала увеличивалась от врубового ряда в сторону посёлка с 2,6 до 4,9 м, а забойка скважин — от 2,2 до 4,5 м (с 20 до 41 диаметра заряда) соответственно. Масса верхнего заряда у всех скважин составила 5 кг.

Площади укрытия сеткой «Рабитца» составила 456 м², общий расход граммонита 79/21 на блок — 1 712 кг, средний удельный расход ВВ по блоку — 0,62 кг/м³.

Зарядку блока и монтаж сетки укрытия производили аналогично первому экспериментальному взрыву. По всей площади блока, за исключением первых двух рядов со стороны вруба, сетку пригружали объёмами скального грунта массой 5−6 т, разделяя на две части массу грунта автосамосвала. Так было сформировано укрытие из сетки «Рабитца» на поверхности блока, пригруженной грунтом по площади блока (1а-3б-4г-5ж, а). Общая масса грунта на укрытие блока составила 67 т, удельная масса укрытия — 146 кг/м².

Массовый взрыв третьего экспериментального блока провели с видеосъёмкой 31.07.07. порядной схемой МКЗВ с замедлением между рядами в 20 мс. На рис. 2.8 показано развитие взрыва на этом блоке с газопроницаемым укрытием из пригруженной грунтом сетки «Рабитца» при порядном взрывании с пятью ступенями замедления.

На кадрах 600−1 400 мс виден формирующийся выброс из скважин и начало разлёта камней (выделены овалами). С 1800 по 2400 мс идёт подъём горной массы и разлёт камней как в сторону посёлка, так и в противоположную сторону. К 3 000 мс разлёт и падение камней в районе блока завершается. Фактические параметры разлёта определить сложно из-за отсутствия масштабных элементов в поле съёмки камер, но можно отметить незначительную их величину — порядка 15−25 м.

Эксперимент показал, что укрытие из сетки на поверхности блока с пригрузкой её грунтом по всему блоку в целом снижает разлёт кусков горной массы. Поэтому такое укрытие может быть рекомендовано именно для снижения радиуса разлёта кусков. Полностью исключить разлёт кусков такое укрытие не способно ещё и из-за присутствия достаточно крупных камней в грунте пригрузки, часть которых и выбрасывается в стороны.

Четвёртый экспериментальный блок объёмом 1 350 м³ с расположенными в шесть рядов по сетке 3×3 м 30 скважинами диаметром 110 мм имел заряды, рассредоточенные по высоте промежутком из инертного материала длиной 1,0 м.

28 скважин блока имели глубину 6 м, нижний заряд длиной 3,0 м и массой 25,5 кг, верхний заряд длиной 0,4 м и массой 3 кг, забойку длиной 1,6 м (14 диаметров заряда). Суммарная масса заряда скважины составила 28,5 кг; общая масса зарядов данной серии скважин — 741 кг при объёме взрываемых пород 1 158 м³. 4 скважины блока глубиной 7,0 м отличались длиной нижнего заряда (3,2 м) и его массой (28,0 кг). Суммарная масса заряда скважины — 31 кг; общая масса зарядов данных скважин составила 124 кг при объёме взрываемых пород 192 м³.

Общий расход граммонита 79/21 на блок — 865 кг, удельный расход ВВ по блоку — 0,64 кг/м³, площадь укрытия — 387 м².

Зарядку блока и монтаж укрытия производили аналогично предшествующим взрывам. Было сформировано комбинированное укрытие блока из лежащей на поверхности блока сетки, пригруженной объёмами грунта вблизи друг друга по всей площади блока.

Рис. 2.8 Видеограмма развития третьего экспериментального массового взрыва.

При общей массе грунта укрытия 120 т удельная масса его составила 310 кг/м². Такое укрытие ближе к пониманию сплошного: продукты взрыва прорываются между объёмами грунта только на отдельных участках блока, поэтому его можно, с известной долей условности, отнести к (1аЗа-4а-5а, ж).

Массовый взрыв с видеосъёмкой четвёртого экспериментального блока провели 26.07.07.

На рис. 2.9 приведены видеокадры работы укрытия из грунта.

На кадрах 600−1400 мс видны формирующиеся выбросы из отдельных скважин в виде светлых султанов и начало разлёта отдельных камней из насыпного грунта пригрузки (выделены овалами). С 1600 по 2400 мс наблюдается подъём горной массы и разлёт камней как в сторону посёлка, так и в противоположную сторону. К 3 000 мс падение камней в районе блока завершается. Фактические параметры разлёта камней по кадрам видеосъёмки сложно определить из-за отсутствия масштабных элементов в поле съёмки камер.

При осмотре района вблизи взорванного блока были обнаружены камни, разбросанные на незначительное расстояние — порядка 5−10 м. Следовательно, такое комбинированное укрытие (металлическая сетка с грунтом по всей её поверхности) может быть рекомендовано для существенного снижения радиуса разлёта камней (до 20 м). Полностью исключить их разлёт оно не способно ввиду наличия в скальном грунте сравнительно крупных камней, часть которых и выбрасывается в стороны (кадр 1 600 мс).

По устной информации работников ООО «БСКвзрывпром» размещение грунта по всей поверхности блока слоем мощностью 4 м полностью исключило выбросы при взрывании на строительстве выемки под высоковольтной ЛЭП на автодороге «Амур». Однако нам повторить такой эксперимент не удалось — слишком высока цена такого укрытия: необходимо завозить, а затем повторно вывезти объёмы грунта, сопоставимые с объёмами взрываемого блока. Для отдельного взрыва в уникальных условиях это возможно, но для масштабного применения рекомендовано быть не может.

Итак, можно считать установленным, что при строительстве выемок на автомобильных дорогах в стеснённых условиях достаточно эффективно можно применить одноразовые сплошные насыпные укрытия из грунта (с минимальным включением камней), либо многоразовые тяжёлые цепные маты с мощной грузоподъёмной техникой, несмотря на присущие им недостатки — другого выбора среди существующих укрытий просто нет.

Рис. 2.9. Видеограмма развития массового взрыва под укрытием из грунта.

На реконструкции железнодорожных магистралей проблема выглядит ещё сложнее: при взрывном рыхлении скальных горных пород, слагающих подлежащий разноске борт выемки, необходимо исключать выброс горной массы на действующий путь, значит надо укрывать именно крутой скальный откос и здесь насыпные укрытия неприменимы. Укрытие же тяжёлыми цепными матами требует мощной грузоподъёмной техники, она у железнодорожников есть, но будет занят действующий путь при её работе по монтажу и демонтажу укрытия и ещё неизвестно, когда будет временной выигрыш — при обычной схеме рыхления или под укрытием. Поэтому необходим поиск технического решения, сочетающего в себе достоинства цепных матов, но более технологичного при монтаже и демонтаже.

Мы обратили внимание на автомобильные шины, применяемые навалом в качестве насыпного укрытия. Шины износостойки по самому своему предназначению, упруги и жёстки одновременно, имеют большой диапазон размеров и массы, а главное — из них можно собирать мат поэлементно прямо на месте.

Исходя из этих посылок 14.10.06. мы провели с видеосъёмкой полигонный экспериментальный взрыв с целью определения возможности использования для укрытия взрывных скважин матов из изношенных автомобильных шин от карьерных автосамосвалов, а также эффективности пылеподавления залитой в шины водой.

В скважине диаметром 115 мм и глубиной 1,6 м, пробуренной в гранодиоритах крепостью f = 15 на Корфовском каменном карьере, был выполнен заряд из аммонита АПВ массой 3 кг и высотой 0,35 м, длина засыпной забойки составила 1,25 м (11 диаметров скважины). Над скважиной установили укрытие из трёх уложенных на металлическую решётку от грохота автошин от БелАЗ-540 диаметром 1,6 м и массой по 280 кг, связанных вместе проволокой-катанкой 6 мм, в каждую шину залита вода по 20 л.

На рис. 2.10 показано развитие экспериментального полигонного взрыва под газопроницаемым укрытием из автошин на сетке.

Анализ видеограммы взрыва показывает, что укрытие выполнило свою задачу — вылет кусков породы был исключён, хотя удельный расход ВВ задан больше единицы, т. е. взрыв происходил не на рыхление, а на выброс, однако газопроницаемое укрытие предотвратило разлёт кусков породы. При этом его работа аналогична работе цепного мата — подъём и опускание вместе с горной массой, не отрываясь от неё.

Рис. 2.10. Видеограмма развития полигонного взрыва под укрытием из шин.

Испытания подтвердили выброс воды из автошин при их подбросе и деформации: на 640 мс взрыва виден первый выброс воды из левой шины, стоящей почти вертикально (помечено овалом). К 1 040 мс укрытие достигло максимальной высоты подъёма в 1,5 м и идёт выброс воды в виде сгустков из левой и правой задней шин, с 2 160 мс начинается падение укрытия и с 2 160 по 2 800 мс — выплеск воды при ударе шин о поверхность уступа. Шины укрытия имеют много связей и рывков от скважин, взрывающихся с замедлением, выбросы воды в реальности будут интенсивными.

Таким образом, полигонный экспериментальный взрыв с укрытием из связанных между собой тяжёлых автошин, уложенных соосно взрывной скважине на металлическую сетку, показал, что такое укрытие надёжно предотвращает разлёт кусков породы, а залитая в шины укрытия вода выплёскивается во время взрыва, снижая запылённость в месте взрыва. Это позволило нам предложить укрытие мест взрыва матами из автомобильных шин в виде однослойного мата из шин, уложенных на поверхность взрываемого объёма, с заполнением жидкостью шин как на поверхности, так и на откосе уступа, а также способ взрывания уступов под укрытием из шин^[1][2], а также подтвердило необходимость продолжения исследований с целью определения необходимой массы укрытия, усилий в соединительных элементах и пр.

• [1] Укрытие мест взрыва матами из шин: пат. 2 310 812 Российская Федерация.№ 2 006 107 870; заявл. 13.03.06; опубл. 20.11.07. Бюл. Xs 32. 6 с.
• [2] Способ взрывания уступов под укрытием из шин: пат. 2 317 520 Российская Федерация. № 2 006 108 362; заявл. 16.03.06; опубл. 20.02.08. Бюл. Ns 5. 4 с.