Повышение эффективности строительства дорог в стесненных условиях применением безразлетного взрывного рыхления скальных грунтов

Взрывные работы отличаются быстротой и большими масштабами исполнения, поэтому широко применяются во многих отраслях народного хозяйства, технологически связанных с разрушением горных пород: в горной промышленности, в строительстве, при прокладке автомобильных и железных дорог. Для скальных горных пород взрывное рыхление является единственным высокоэффективным способом подготовки пород к выемке.

В дорожном строительстве, особенно в пересеченной и горной местности, дороги часто проектируются в выемках, устраиваемых в скальных грунтах с применением буровзрывных работ. Кроме этого для строительства автомобильных и железных дорог всегда требуется камень в качестве строительного материала. При разработке карьеров камня и выемок, расположенных вблизи населенных пунктов, дорог с интенсивным движением транспорта, линий электропередач, водоохранных зон рек и в других стесненных условиях, всегда возникают большие сложности с выдерживанием требований безопасности взрывных работ.

Применяемые в настоящее время технологии и технические средства проведения взрывных работ при строительстве дорог и добыче строительных материалов в большинстве своем не отвечают современным требованиям экономики, экологической и социальной безопасности. В связи с чем часто еще на стадии проектирования принимают сразу более дорогостоящие варианты трассы дорог или места расположения карьеров камня, потому что более удобные и экономически выгодные отклоняются еще на стадии согласования актов выбора площадок из-за запрета на ведение взрывных работ. Иногда невозможность ведения взрывных работ выявляется уже в процессе строительства, тогда стоимость строительства дороги значительно увеличивается.

Объемы и качество добываемых строительных материалов, затраты на строительство дорог и, следовательно, прибыль предприятий, во многом зависят от эффективности основных технологических процессов. Поэтому при производстве взрывных работ в дорожном строительстве следует принимать такие методы ведения взрывных работ, при которых хорошее качество рыхления достигается при наименьшем отрицательном воздействии на коммуникации, строения, ЛЭП, охранные зоны природопользования и т. п. * .

Решение научно-технической проблемы значительного повышения эффективности подготовки к выемке горных пород связано с комплексом исследований, направленных на разработку технологий рыхления полускальных и скальных горных пород с наименьшими затратами и минимальным негативным воздействием на окружающую среду.

В последнее время разрабатываются радикально новые технологии подготовки и проведения массовых взрывов, оптимизирующие соотношения между частотой массовых взрывов и объемами взорванной горной массы. При локализованных взрывах отпадает необходимость создания больших опасных зон, парализующих работу всего карьера или строительного участка, полностью выполняется требование о минимизации затрат на подготовительно-восстановительные операции.

Идея аккуратного разрушения горных пород на карьерах взрывом зарядов рыхления в шпурах или скважинах под укрытием впервые была выдвинута проф. Г. В. Секисовым. Большой вклад в развитие технологии взрывания под укрытием внес Е. Б. Шевкун. Разрушение горных пород зарядами рыхления под укрытием полностью исключает разлет осколков и позволяет оставлять технику на месте, и за пределы опасной зоны, радиус которой значительно сокращается, отводить только людей.

Такая технология особенно актуальна в дорожном строительстве, где взрывные работы часто производятся в стесненных условиях — вблизи населенных пунктов, дорог с интенсивным движением транспорта, линий электропередач, водоохранных зон рек и т. д. В этом случае для обеспечения требований безопасности взрывные работы должны проводиться под укрытием. Однако все существующие в настоящее время укрытия имеют недостатки, такие, как высокая стоимость, большая масса, небольшая укрываемая площадь, сложность организации буровзрывных работ на наклонных поверхностях откосов уступов. В условиях рыночных отношений первоочедное значение приобретают малозатратные технологии проведения буровзрывных работ, отвечающие требованиям экологической и социальной безопасности. Все это вызывает необходимость разработки более эффективных и менее затратных укрытий, позволяющих укрывать большие поверхности любой конфигурации в условиях массовых взрывов при строительстве дорог на скальных грунтах.

Цель работы — разработка малозатратной безопасной технологии проведения взрывных работ в стесненных условиях дорожного строительства.

Основная идея работы заключается в том, что цель может быть достигнута применением при производстве взрывных работ в стесненных условиях дорожного строительства трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов (автошин), обеспечивающего в сочетании с забойкой скважин безразлетное взрывание скальных грунтов.

Объект исследования — технология проведения взрывных работ в стесненных условиях дорожного строительства.

Предмет исследования — влияние трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов на эффективность строительства дорог.

Задачи исследования:

1. Охарактеризовать современные технологические процессы локализации взрывов и дать оценку методов расчета основных параметров укрытий.

2. Выполнить теоретические исследования работы различных конструкций трансформируемых газопроницаемых укрытий из упругих элементов и определить их основные параметры.

3. Провести полигонные и промышленные испытания трансформируемых газопроницаемых укрытий из упругих элементов в стесненных условиях дорожного строительства.

4. Разработать методику расчета основных параметров трансформируемых газопроницаемых укрытий из упругих элементов и рекомендации по технологии без-разлетного взрывного рыхления скальных грунтов.

5. Оценить экономическую эффективность технологии безразлетного взрывного рыхления скальных грунтов с использованием трансформируемых газопроницаемых укрытий из упругих элементов в стесненных условиях дорожного строительства.. * .

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационной работы использован комплекс методов исследования, включающий: анализ существующих литературных и производственных данных по современным технологиям и способам обеспечения безопасности проведения взрывных работматематическое и физическое моделированиеполигонные и промышленные испытания новых технических решенийтехнико-экономическую оценку результатов испытания.

Основные положения, представленные к защите:

1. Обеспечивающая безразлетное взрывание масса трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов определяется величиной действующего на него ударного импульса, который зависит от показателя действия взрыва, забойки скважин, количества свободных поверхностей взрываемого блока.

2. Разрушающее воздействие ударного импульса на соединительные элементы укрытия от взрыва скважинного заряда ВВ исключается применением связей, позволяющих укрытию в начале подброса работать как упругой гибкой системе.

Научная новизна работы заключается в новом подходе к повышению эффективности строительства дорог в стесненных условиях применением безразлетного взрывного рыхления скальных грунтов, для чего в частности:

— теоретически и экспериментально установлено, что для удлиненных зарядов рыхления, выполняемых согласно рекомендациям Союзвзрывпрома, глубина скважины практически не влияет на величину ударного импульса, действующего на укрытие;

— определено, что при взрыве отдельных скважинных зарядов рыхления под укрытием из нескольких упругих элементов сила натяжения в соединительных элементах зависит от способа увязки;

— установлено, что при массовых взрывах при порядном короткозамедленном взрывании трансформируемое газопроницаемое укрытие из автошин работает как единая упругая система. Наибольшие силы натяжения развиваются в соединительных элементах между крайними и анкерными шинами или между крайними шинами и шинами, находящимися на откосах. В связях между шинами взрываемого ряда и между шинами соседних рядов силы натяжения незначительны, эти связи удерживают шины от случайных разлетов, вызванных наличием небольших естественных уклонов, неточности укладки шин и т. д.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием апробированных методов моделирования, теории удара и динамики механических систем, результатами проведенных численных и экспериментальных исследований, выполненных в полигонных и производственных условиях, высокой сходимостью их результатов, внедрением разработок в дорожном строительстве, апробацией результатов на международных конференциях, симпозиумах, признанием приоритета работ патентами Российской Федерации.

Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и развитии научных исследований в области проведения взрывных работ под укрытием в стесненных условиях дорожного строительства, в частности, в разработке методики экспериментальных исследований по определению ударного импульса, действующего на укрытиеметодики расчета трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований, обоснований и апробаций позволяют повысить эффективность строительства дорог на скальных грунтах в стесненных условиях. Для этого в частности: предложено принципиально новое трансформируемое газопроницаемое укрытие из упругих элементов, позволяющее укрывать большие взрывные поверхности любой конфигурацииразработана новая малозатратная технология безразлетно-го взрывного рыхления скальных грунтов.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований по обеспечению безопасности взрывных работ применением трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов, внедрены на объектах, обслуживаемых ОАО «Амурвзрывпром»" в 2005;2009 гг. ' В частности, на ОАО «Корфовский каменный карьер», при строительстве федеральной автомобильной дороги «Амур», в карьере Теплоозерского цементного завода.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке методик, проведении теоретических и экспериментальных исследований, их анализе и обобщении результатов, разработке рекомендаций по монтажу трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов, его демонтажу после взрыва.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на международной научно-технической конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, 2006 г.) — на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2008;2009 гг.) — на семинаре (Хабаровск, 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 14 опубликованных работах, включая 6 статей и 8 патентов на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований и приложений. Основной текст изложен на 154 страницах машинописного текста и иллюстрирован 67 рисунками и 10 таблицами.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Методика расчета трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов (автошин) включает определение массы укрытия, зависящей от величины ударного импульса, действующего на укрытие, и расчет соединительных элементов на разрывное усилие по наибольшему значению силы натяжения.

2. При назначении технологии сооружения трансформируемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов (автошин) учитываются рельеф укрываемого взрывного блока, наличие дополнительных свободных поверхностей, тип забойки, наличие грузоподъемной техники и т. д.

3. Применение предлагаемого газопроницаемого укрытия из упругих элементов (автошин) вместо традиционного грунтового укрытия по всей поверхности блока дает большой экономический эффект. При годовом объеме взрывных работ -500 000 м3 ЧДД составляет около 16,5 млн р.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных исследований решена проблема малозатратной безопасной технологии безразлетного взрывного рыхления скальных грунтов в стесненных условиях дорожного строительства, в которой изложены научно обоснованные технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Для полного исключения разлета кусков породы подброс укрытия должен происходить не более чем на заданную высоту. Необходимая для этого масса укрытия определяется в зависимости от действующего на него ударного импульса. Ударный импульс, действующий на укрытие от взрыва сосредоточенного скважинного заряда, зависит от глубины заложения, показателя действия взрыва, забойки скважин и количества свободных поверхностей взрываемого блока. Для удлиненных зарядов рыхления, выполняемых согласно рекомендациям Союзвзрывпрома, глубина скважины практически не влияет на величину ударного импульса, действующего на шины укрытия.

2. Влияние забойки скважины, увеличивающей продолжительность действия продуктов детонации на массив, повышающей долю энергии взрыва на дробление породы, учитывается коэффициентом klt уменьшающим ударный импульс, действующий на укрытие. Влияние дополнительных открытых поверхностей, ослабляющих массив и увеличивающих эффект разрушения, учитывается коэффициентом к2, уменьшающим ударный импульс, действующий на укрытие. При взрывании скважин на уступе, если откос пригружен укрытием из шин, коэффициент к2 крайнего ряда скважин умножается на кп = 1,3.

3. При взрыве отдельных скважинных зарядов рыхления под укрытием из нескольких шин, сила натяжения в соединительных элементах зависит от способа увязки. При массовых взрывах при порядном короткозамедленном взрывании трансформируемое газопроницаемое укрытие из автошин работает как единая упругая система. Вдоль взрываемого ряда связи удерживают шины от случайных разле-тов,. вызванных наличием небольших естественных заслонов, неточности укладки шин и т. д. Натяжение связей между шинами над скважинами в поперечном ряду, как и вдоль взрываемого ряда, незначительно.

4. Подбор сечений соединительных элементов производится по наибольшим значениям сил натяжения, которые воспринимают связи укрытия. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям для укрытий при массовых взрывах наибольшие значения сил натяжения развиваются в связях между крайними и анкерными шинами или между крайними шинами и шинами, находящимися на откосах. Силы натяжения в этих связях определяются из условия предельного равновесия. Применение в трансформируемых газопроницаемых эластичных укрытиях связей, позволяющих укрытию в начале подброса работать как упругой гибкой системе (за счет зазоров и провисаний связей), дает возможность избежать разрушающего воздействия ударного импульса от взрыва на соединительные элементы укрытия.

5. Разработанная технология сооружения трансформируемых газопроницаемых укрытий из упругих элементов (автошин), включающая зарядку и забойку скважин, укладку шин соосно взрывным скважинам и увязку элементов укрытия, обеспечивающего безразлетное взрывное рыхление скальных грунтов, апробирована на строительстве дороги и доказала свою состоятельность.

6. Результаты экспериментальных массовых взрывов показали высокую надежность газопроницаемого укрытия из упругих элементов при производстве взрывных работ в дорожном строительстве. В ходе промышленных испытаний было взорвано более 300 тыс. м3 горной массы. Шины и соединительные элементы повреждений не имели. Трансформируемое газопроницаемое укрытие, собираемое в единый мат из отдельных упругих элементов непосредственно на взрываемом блоке, может быть рекомендовано для широкого применения в дорожном строительстве.

7. Применение безразлетного взрывного рыхления повышает эффективность строительства дорог в стесненных условиях за счет сокращения дополнительных расходов, которые возникают при ведении взрывных работ традиционными способами, а также более низкой стоимости самого трансформируемого газопроницаемого укрытия по сравнению с наиболее распространенным укрытием матами из якорных цепей или укрытием грунтом. Применение предлагаемого газопроницаемого укрытия из автомобильных шин вместо традиционного грунтового укрытия по всей поверхности блока дает большой экономический эффект. При годовом объеме взрывных работ — 500 ООО м ЧДЦ составляет около 16,5 млн р.