СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ СКАЛЬНЫХ ПОРОД ИЛИ БЕТОНА (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DESTRUCTION OF SOLID ROCKS OR CONCRETE (VERSIONS)

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам разрушения твердых природных или искусственных объектов, и может быть использовано для дробления твердых скальных пород при прокладке дорог и тоннелей, для разрушения крупных монолитных строительных объектов и т.п.
Известен способ разрушения твердых объектов, заключающийся в использовании реакции взрывчатого вещества (ВВ), помещенного в пробуренные шпуры и герметизированного в них (Справочник взрывника. Под ред. Б.Н.Кутузова. М.: Недра, 1988, 511 с.).
Использование "штатных" ВВ для дробления твердых скальных горных пород или бетона экономически неэффективно, так как при детонации ВВ проявляется бризантное действие взрыва, и объект разрушается на мелкие фрагменты. Кроме того, использование ВВ требует проведения целого комплекса мероприятий для обеспечения безопасности (защита от ударной волны и разлета осколков, учет розы ветров, оповещение населения и т.п.).
Известен способ ведения буровзрывных работ для разрушения горных пород, заключающийся в бурении шпуров по линии намечающегося разрыва, установки и герметизации в них зарядов жидких или пастообразных реагентов с бездетонационной реакцией разложения, инициируемой запалом или введением катализатора (RU 2026987, Е21С 37/00, 20.01.1995). В качестве реагентов предлагается использовать термически нестабильные жидкости с экзотермической бездетонационной реакцией разложения: концентрированный пероксид водорода (ПВ), гидразин, гидразингидрат, окись этилена или пасты на их основе. Воспламенение зарядов осуществляется с помощью дымного пороха или введением в жидкость катализатора. Интенсивность газообразования, величину температуры и соответственно энергетический эффект регулируют разбавлением водой - нереагирующей жидкостью. Для снижения потерь энергии скважины заполняют водой.
Применение в качестве реагентов таких веществ, как гидразин или гидразингидрат, возможно в некоторых исключительных случаях, но обычно нежелательно из-за их чрезвычайной токсичности (канцерогены, первый класс опасности и т.д.), аммиак как один из продуктов их разложения также является ядовитым веществом. Использование окиси этилена, кроме наркотического действия, ограничено как низкой температурой ее кипения (+13°С), так и опасностью образования детонационных смесей с кислородом воздуха. Реакция разложения высококонцентрированного ПВ обеспечивает экологичность продуктов реакции, но, вместе с тем, крайне неэффективна из-за низкой энергетики процесса по сравнению со "штатными" ВВ.
Наиболее близким к предлагаемому способу (выбранным за прототип) является способ разрушения природных и искусственных объектов, включающий установку и забойку в шпурах устройств-газогенераторов, заполненных смесью веществ, содержащей твердый окислитель и горючее, и инициирование в устройствах реакций горения в дефлаграционном-недетонационном режиме, сопровождающихся созданием соответствующего давления в шпурах. В качестве горючего используют полиэтилен, полипропилен, полистирол, капрон, алюминий, магний, титан и т.п. Недетонационный режим горения в способе-прототипе обеспечивают размещением равномерно по всему сечению устройства горючих элементов соосно направлению распространения горения в виде трубок или пленок с внутренним диаметром или расстоянием между пленками меньше критического для данного вещества или смеси веществ. Толщину стенок трубок или пленок, диаметр трубок или расстояние между пленками подбирают таким образом, чтобы коэффициент избытка окислителя составлял 0,5-1,5, а скорость горения позволяла достичь в шпурах заданных значений давления и энерговыделения (RU 2153069, Е21С 37/00, 20.07.2000).
Недостатком известного способа-прототипа является сложность используемых в нем устройств и рабочих операций, что удорожает процесс разрушения и снижает надежность работы. Кроме того, применение данного способа для дробления твердых и скальных горных пород малоэффективно, так как используемые в нем составы характеризуются низкой скоростью горения (~1 мм/сек), что не обеспечивает быстрого газовыделения, и, следовательно, фугасный эффект от применения данного способа очень мал.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка такого способа разрушения твердых скальных пород или бетона, который позволит значительно упростить операции на месте проведения работ, повысить надежность срабатывания способа, его безопасность, снизить стоимость работ и при этом повысить фугасный эффект от применения способа.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом разрушения твердых скальных пород или бетона, включающим установку и забойку в шпурах устройств, заполненных смесью веществ, инициирование в устройствах реакций горения в недетонационном режиме, сопровождающихся созданием соответствующего давления в шпурах, в котором недетонационный режим горения обеспечивают применением минерального окислителя в виде гранул размером 0,1-5,0 мм, заполняющего до 95% объема герметичного устройства, причем перед установкой устройства в шпур открывают крышку устройства, заливают в него жидкое углеводородное горючее в стехиометрическом количестве, закрывают крышку и устройство встряхивают.
Инициирование реакций горения можно осуществлять при помощи средства инициирования, выполненного в виде тонкой взрывающейся проволочки, соединенной с источником высоковольтного электрического импульса.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом разрушения твердых скальных пород или бетона, включающим заполнение герметизируемых объемов смесью веществ, их герметизацию и инициирование в них реакций горения в недетонационном режиме, сопровождающихся созданием соответствующего давления в указанных объемах, в котором в качестве герметизируемых объемов используют сухие шпуры, пробуренные в разрушаемом твердом объекте, а недетонационный режим горения в шпурах обеспечивают применением минерального окислителя в виде гранул размером 0,1-5,0 мм, перемешанного с жидким углеводородным горючим, взятым в стехиометрическом количестве.
Герметизацию шпуров можно осуществлять забойкой и/или можно использовать самоуплотняющуюся заглушку. Самоуплотняющуюся заглушку предпочтительнее использовать при работе с короткими шпурами (менее 1 м). Конструкция самоуплотняющихся заглушек известна и описана в литературе. Это обеспечивает надежное удержание высокого давления в объеме шпура за время сгорания состава.
Инициирование реакций горения можно осуществлять при помощи средства инициирования, выполненного в виде тонкой взрывающейся проволочки, соединенной с источником высоковольтного электрического импульса.
Предлагаемый способ был разработан на основе детальных экспериментальных исследований последовательности рабочих операций при варьировании параметров горючей смеси веществ (соотношение окислителя и горючего, размер гранул окислителя), а также испытаний различных методов инициирования и параметров высоковольтного электрического импульса.
Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности организации быстрого горения двухфазной смеси в турбулентном режиме с высокой скоростью (~100 см/сек) и достижения 100%-ной полноты сгорания. Опыты проводились или с устройствами (контейнерами из полимерного материала), размещенными на дне шпура (скважины) диаметром до 50 мм и глубиной до 2,5 м, или непосредственно со шпурами. Контейнер, содержащий гранулированный минеральный окислитель, такой как калиевая, натриевая или аммиачная селитра, или перхлораты, хлораты и др., с размерами зерен от 0,1 до 5,0 мм, заполняли жидким углеводородным горючим (керосином, дизельным топливом и пр.), взятым в стехиометрическом количестве, и встряхивали. Сухие шпуры заполняли смесью гранулированного минерального окислителя с жидким углеводородным горючим, взятым в стехиометрическом количестве. Шпуры с контейнерами или со смесью герметизировали. Испытания показали, что происходит полное сгорание горючего в режиме быстрого турбулентного горения при его инициировании от тонкой взрывающейся проволочки при подаче на нее высоковольтного электрического импульса при напряжении 3-5 кВ с энергией менее 1 кДж и времени импульса менее 0,1 мсек. Такой короткий импульс приводит к резкому повышению локального давления до величины, выше критического значения (~20 атм), при котором ламинарный (послойный) режим медленного горения переходит в быстрый турбулентный. В турбулентном режиме гранулы минерального окислителя и капли горючего вылетают с поверхности и сгорают в свободном объеме, а затем, по мере повышения давления, происходит объемное воспламенение и объемное горение всей смеси. Размер гранул менее 0,1 мм не обеспечивает возникновение турбулентного режима из-за существенного увеличения вязких сил. Размер гранул свыше 5 мм не обеспечивает полноту сгорания из-за увеличения времени их полного сгорания. Для быстрого возникновения турбулентного режима горения в контейнере или шпуре необходимо иметь начальный свободный объем. Поэтому устройство первоначально заполняют минеральным окислителем до уровня не выше 95% от полного объема.
После сгорания смеси в скважине в замкнутом объеме за время порядка 10-100 мсек достигается давление продуктов горения смеси свыше 10-20 кбар, что приводит к растрескиванию твердой породы на фрагменты размером от 10 см до 1 м. Если энергия инициирующего электрического импульса менее 1 кДж, переход от ламинарного на турбулентный режим горения затягивается. Во многих случаях проведения работ это не является принципиальным моментом. Сгорание смеси в режиме быстрого турбулентного горения приводит к значительному повышению фугасного эффекта от применения способа.
2
3
В результате испытаний установлено, что предлагаемый способ обладает эффективностью, на порядок превышающей эффективность способа-прототипа и в 2-3 раза превосходящей эффективность известного способа на основе широко используемого промышленного ВВ марки 6ЖВ. Удельный расход смеси горючего с окислителем в предлагаемом способе при разрушении скальной породы прочностью 2000 кг/см равен всего лишь 200-300 г/м. Это связано с тем, что дробление породы происходит на крупные фрагменты размером от 10 см до 1 м при отсутствии бризантного эффекта, характерного для промышленных ВВ, когда значительная часть энергии тратится на ненужное измельчение породы. Полученные крупные фрагменты легко удаляются машинным методом. Все это удешевляет стоимость работ. Эффективность предлагаемого способа по варианту с использованием устройства можно повысить на 20-30% при засыпании зазора между корпусом размещенного в скважине (шпуре) устройства и стенками скважины (шпура) сухим песком или заполнении зазора водой, что связано с увеличением давления продуктов горения в закрытом пространстве.
Размещение минерального окислителя в герметичном устройстве позволяет применять гигроскопичные окислители, такие как натриевая селитра, увеличить надежность воспламенения и сократить время сгорания состава.
Установлено также, что при недетонационном режиме энерговыделения в условиях быстрого турбулентного горения в скважине глубиной 2-2,5 м с забойкой из песка отсутствует разлет каких-либо осколков породы, уровень шума при быстром сгорании смеси и разрушении породы не превышает 60 дБ, интенсивность сейсмической волны более чем на порядок ниже по сравнению с детонацией промышленного ВВ эквивалентной мощности. Проведенные эксперименты показали, что предлагаемый способ может быть эффективно использован в строительстве для дробления твердых пород или бетонных объектов в стесненных городских условиях на расстоянии 5-10 метров от жилых и промышленных строений или магистралей без прерывания их функционирования.
Значительная экономия при производстве работ достигается за счет небольшого диаметра (до 50 мм) шпуров (скважин), а также благодаря отсутствию дополнительных затрат на транспортировку, хранение и проведение охранных мероприятий в отличие от детонационноспособных зарядов ВВ и необходимых для их инициирования опасных капсюлей-детонаторов.
Способ прост в применении, поскольку требует проведения только таких основных простейших операций, как заливка жидкого горючего в устройство и его встряхивание или заполнение шпура смесью жидкого горючего и окислителя.
Предлагаемый способ безопасен, поскольку первоначально устройство содержит только минеральный окислитель, который не способен к самостоятельному горению. Горючее добавляется в устройство только на месте проведения работ, непосредственно перед размещением его в шпур. Исходная смесь окислителя и горючего при атмосферном давлении трудно воспламеняется даже от открытого огня и не способна к быстрому горению, поэтому работа и с полностью снаряженным устройством, и непосредственное заполнение шпуров смесью не представляет опасности.
Способ отличается дешевизной, поскольку смесью окислителя с горючим заполняют либо устройство-контейнер в виде оболочки из полиэтилена толщиной до 3 мм с герметически закрывающейся крышкой, либо непосредственно шпур. Кроме того, в способе используют дешевые минеральный окислитель и жидкое углеводородное горючее, а для инициирования горения используется стандартный источник высоковольтного импульса, широко применяемый в строительной технике.
Таким образом, предлагаемый способ позволит значительно упростить операции на месте проведения работ, повысить надежность срабатывания способа, его безопасность, снизить стоимость работ и при этом повысить фугасный эффект от применения способа. Способ может широко использоваться при проведении работ по дроблению твердых скальных пород при прокладке дорог, а также при разрушении крупных монолитных строительных сооружений, например при разделке на фрагменты бетонных строительных объектов и т.п.