СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ВЫЕМОК В ГРУНТЕ ВЗРЫВОМ НА ВЫБРОС Российский патент 1997 года по МПК F42D1/02 F42D7/00 

Изобретение относится к производству земляных и взрывных работ и может быть использовано для образования протяженных выемок в грунте (каналов, траншей и т.п.).

Известен способ образования выемок в грунте путем взрывания зарядов взрывчатых веществ (ВВ), когда перемещение грунта за пределы выемки производится энергией взрыва зарядов различной формы или комбинированно - экскаваторами и энергией взрыва (авт. св. СССР N 150976 кл. F 42 D 7/00).

Недостатком этого способа является относительно малая интенсивность работ и получение в их результате выемок, размеры которых обычно существенно отличаются от проектных.

Известен принятый за прототип способ образования выемок в грунте взрывом рядов скважинных зарядов выброса (Технические правила ведения взрывных работ на земной поверхности. М. Недра, 1972, с. 19-20, п. 2.22). В этом способе в грунте бурят ряды скважин, в которых размещают заряды взрывчатых веществ (ВВ), устанавливают в них боевики, заполняют свободную часть скважин забоечным материалом, монтируют взрывчатую сеть и взрывают. Недостатком этого способа является то, что основные параметры способа длина зарядов и расстояние между скважинами в ряду принимают, исходя из аналогии с действием рядов сосредоточенных зарядов, без учета специфики действия скважинных зарядов выброса. В результате не обеспечиваются необходимые результаты взрывов, т. е. не получают проектные размеры выемок в грунте, что вызывает необходимость проведения дополнительных работ для получения выемок заданных размеров.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности получения заданных размеров и формы выемок в грунте, а также сокращение затрат на проведение работ.

Технический результат достигается тем, что в способе образования протяженных выемок в грунте взрывом на выброс, включающем бурение рядов вертикальных скважин, размещение в них зарядов ВВ, установку боевиков, заполнение верхней части скважин забоечным материалом, монтаж взрывной сети и последующее взрывание, длину скважинных зарядов принимают по формуле

а расстояние между скважинами по формуле

где
H проектная глубина выемки, м; d диаметр скважин, м; γ линейная плотность (масса) заряда, кг/м; K расчетный удельный расход ВВ, кг/м³; W линия наименьшего сопротивления (ЛНС) от центра заряда до открытой поверхности, м; безразмерный коэффициент, зависящий от стоимости бурения 1 м скважин
С_б (руб./м) и 1 кг ВВ в скважине С_ВВ (руб./кг).

На фиг. 1 показана схема размещения скважинных зарядов для образования протяженной выемки в грунте; на фиг. 2 тоже вид сверху; на фиг. 3 - двухрядная схема размещения зарядов; на фиг. 4 график зависимости отношения полураствора воронок выброса скважинных зарядов к этому же параметру для сосредоточенных зарядов равной массы r_скв/r_с от удлиненности скважинных зарядов L/d; на фиг.5 график, показывающий возможность линейной аппроксимации выражения по значениям L/d.

Способ осуществляется следующим образом.

По трассе запроектированной выемки, например, канала, выполняют бульдозерную планировку поверхности грунта. Затем с поверхности грунта 1 (фиг. 1 3) производят бурение рядов вертикальных скважин 2. При этом число рядов принимают в зависимости от отношения проектных ширины выемки по низу и глубины B/H. Если это отношение менее или равно 1, бурят один ряд скважин, при 1<B/H ≅2 два ряда, при B/H>2 используют более сложные технологические схемы БВР. В нескальных грунтах скважины бурят шнековыми станками, в скальных - шарошечными. Диаметр скважин принимают наибольшим по возможностям имеющегося оборудования.

Перед бурением определяют необходимую длину заряда по формуле

видимую глубину выброса p 1,1 H, длину скважин L_скв=P+0,5L и расстояние между ними в ряду по формуле

(обозначения см. выше).

При расчете принимают: линейную плотность заряда γ = 078d²Δ, где Δ объемная плотность заряжания ВВ, кг/м³; значение R по таблицам технических руководств (см. примеры), W L_скв-0,5L.

После окончания бурения скважин в них размещают заряды ВВ 3 длиной L и массой Q_скв= γL устанавливают боевики 4, свободную от заряда часть скважин заполняют забоечным материалом 5 и монтируют взрывную сеть 6, после чего выполняют взрывание. В результате получают протяженную выемку в грунте, контур которой 7 близок к проектному 8.

Физическое обоснование предлагаемого способа и вывод расчетных формул следующие.

В настоящее время достаточно хорошо известны закономерности действия рядов сосредоточенных зарядов выброса. В частности, известно, что для получения протяженной выемки с ровным дном массу отдельных сосредоточенных зарядов необходимо принимать по формуле
Q KW³(0,4+0,6n³), кг (1)
и расстояние между сосредоточенными зарядами в ряду по формуле
a 0,5W(n+1), (2)
где,
помимо применявшихся обозначений, n=r/W показатель действия взрыва, r - полураствор выемки выброса на уровне дневной поверхности грунта (фиг.1).

Действие и результаты взрывов рядов скважинных зарядов выброса имеют отличия от закономерностей, выражаемых формулами (1) и (2). Эти отличия вызываются удлиненной формой скважинных зарядов и ограниченностью их возможной массы размерами скважин.

Во-первых, по мере увеличения удлиненности зарядов L/d раствор и глубина выемки выброса одиночного скважинного заряда уменьшается по сравнению с этими параметрами для одиночных сосредоточенных зарядов. Характер зависимости по экспериментальным данным показан на графике фиг. 4, где 1 экспериментальные точки. 2 график зависимости по точкам, 3 линейная аппроксимация в диапазоне L/d=1-25.

С ростом удлиненности зарядов относительный (к величине для сосредоточенного равной со скважинным массы) полураствор выемки r_скв/r_с постепенно уменьшается, кривая выполаживается и по достижении некоторого значения L/d раствор воронки скважинного заряда будет оставаться постоянным. Это означает, что нижняя, сильно заглубленная в грунт, часть скважинных зарядов не влияет на конфигурацию и объем выемок выброса.

В первом приближении влияние удлиненности скважинных зарядов на раствор воронки выброса в диапазоне L/d≅1-25 может быть выражено линейными зависимостями

Отсюда ясно, что с учетом формулы (1) эквивалентная массе скважинного заряда Q_скв по образованию выемки выброса масса сосредоточенного заряда Q_э составляет

Из (3) следует, что энергетические затраты на образование выемок выброса скважинными зарядами больше, чем сосредоточенными зарядами, причем, с увеличением удлиненности зарядов L/d эффективность действия скважинных зарядов падает.

Во-вторых, в отличие от сосредоточенных зарядов, каждый из которых, как показывает анализ, находясь в ряду, действует в большинстве случаев самостоятельно, скважинные заряды из-за относительной малости своей массы могут образовать выемку необходимых размеров только при совокупном действии соседних в ряду зарядов. Для этого расстояние между ними должно быть существенно меньше, чем для сосредоточенных зарядов и формула (2) не может применяться.

Необходимое для получения выемки выброса с заданными размерами расстояние между скважинными зарядами может быть определено из условия обеспечения на единицу длины выемки равной массы сосредоточенных зарядов и эквивалентной массы скважинных зарядов. Это возможно при соблюдении условия NQ₃=Q, где N число скважинных зарядов на длине выемки, равной расстоянию между сосредоточенными зарядами по формуле (2). При этом расстояние между скважинными зарядами должно, очевидно, составлять а_скв=a/N. Тогда, после подстановки формул (1-3) с учетом Q_скв= Lγ получаем

Необходимая глубина выемки выброса может быть достигнута при использовании формулы (4), если принято определенное сочетание параметров n и W, соответствующее известной формуле
P=0,5nW, (5)
где
P глубина выброса (фиг. 1).

Оптимальными будут такие параметры, при которых стоимость работ и трудовые затраты будут наименьшими при обеспечении заданных технических результатов взрыва.

Стоимость работ на 1 м³ выемки при однорядном расположении скважинных зарядов составляет

где
L_скв глубина скважин, м; C_б стоимость бурения 1 м скважин, руб./м; C_ВВ стоимость 1 кг ВВ (включая транспортировку и заряжение), руб./кг; S площадь поперечного сечения выемки, м².

Последний параметр зависит от n и W, составляя
S=0,6n²W². (7)
После подстановки в (6) формул (4) и (7) получаем

Исследование этого выражения численным методом при различных показателях действия взрыва n показывает, что минимальная стоимость работ получается при n≈2.

Если принять такое значение как оптимальное, упрощаются формулы (4) и (8) до вида


Поскольку при n= 2 согласно формуле (5) P=W, то глубина скважин должна составлять L_ckb=P+0,5L.

Для упрощения исследования функции (8¹) на экстремум в знаменателе второй части этой формулы при диапазоне L/d=1-25 может быть использована линейная аппроксимация в виде

Допустимость такой замены следует из графика фиг. 5, где точками показаны результаты расчета без аппроксимации, линией при аппроксимации.

Тогда при подстановке в (4^I) и (8^I) получаем


Приводим исследование зависимости (8^II) на экстремум

Производная по L

Приравнивая производную нулю, получаем

Решая квадратное уравнение относительно L, получаем

Отбрасывая отрицательное решение как не имеющее физического смысла, имеем после преобразований

Это означает, что минимальная стоимость работ достигается при длине заряда в скважинах, равной

где
коэффициент, учитывающий стоимостные параметры бурения C_б и взрывания C_ВВ, а также через линейную плотность заряда γ его диаметр.

Окончательный вид расчетной формулы для определения длины заряда принят с учетом того, что глубину выброса P целесообразно принимать на 10% больше проектной глубины выемки, так как при этом в большинстве случаев обеспечивается возможное приближение фактического контура выемки к проектному.

Закономерности действия скважинных зарядов выброса определяют существование определенного сечения длины скважинных зарядов и расстояния между ними в ряду, при котором стоимость работ и трудовые затраты для образования выемки будут минимальными. Это сочетание зависит от заданных размеров выработки, диаметра скважин, свойств грунта, стоимостных параметров бурения и взрывания и реализуется в предлагаемом способе.

Пример 1. Требуется образовать протяженную выемку глубиной H=8 м и шириной по дну B=6 м. Грунт тяжелые суглинки III группы по классификации СНиП. На месте работ имеется станок шнекового бурения с диаметром шнека d=0,6 м и взрывчатое вещество граммонит 79/21. Стоимость бурения 1 м скважин C_б=100000 руб. 1 кг ВВ 1000 руб. (по состоянию на январь 1995).

При реализации предлагаемого способа первоначально определяют необходимое число рядов скважинных зарядов. Поскольку B/H=6/8 0,75<1, достаточно одного ряда зарядов. По оси трассы выемки выполняют бульдозерную зачистку поверхности. Затем приступают к бурению ряда вертикальных скважин. Чтобы принять глубину скважин, предварительно определяют оптимальную длину зарядов в них по формуле

при где 267 кг/м линейная плотность заряда диаметром d=0,6 м при плотности заряжения D=950 кг/м³.

Соответственно

При этом видимая глубина выемки выброса при n=2 будет составлять P=1,1 H 1,1•8 8,8 м, а глубина скважин должна быть равна L_скв P+0,5L 8,8 + 0,5•6,7 12,15 м. Величина ЛНС равна видимой глубине выброса, т.е. W=8,6 м.

Расстояние между скважинами в ряду принимают по расчетной формуле

где расчетный удельный расход ВВ согласно табл. 1 технических правил ведения взрывных работ на дневной поверхности составляет K=1,5 кг/м³.

Соответственно

После окончания бурения скважин в них размещают заряды граммонита 79/21 длиной L=6,7 м и массой Q_скв=6,7•267 1789 кг. В каждом заряде устанавливают по два боевика. Затем свободную от заряда часть скважин длиной l_заб=L_скв-L= 12,15 6,7 5,45 м заполняют забоечным материалом, монтируют взрывную сеть и производят взрывание. В результате образуется протяженная выемка с заданной шириной B 6 м на глубине H 8 м.

Для сравнения укажем, что для условий этого примера при применении способа-прототипа основные параметры БВР при n 2 составляют L_скв 10,1 м, L 6,7 м, Q_скв 1799 кг, a 4,5 м. Неучет в этом способе изложенных выше физических особенностей действия скважинных зарядов выброса приводит к завышению расстояния между скважинами и занижению их длины по сравнению с необходимым. В результате требующиеся технические результаты взрыва не могут быть получены между зарядами останутся по дну гребни-перемычки и глубина выемки будет недостаточна, что потребует доработок.

Пример 2. В условиях, аналогичных примеру 1, требуется образовать протяженную выемку глубиной H 6 м и шириной по дну B 10 м. Диаметр бурового става имеющегося станка d 0,5 м. Стоимость бурения 1 м скважин C_б 80000 руб. стоимость 1 кг ВВ (граммонит 79/21) 1000 руб.

При осуществлении предлагаемого способа первоначально определяют необходимое число рядов скважин. Поскольку B/H=10/6=1,67 больше 1 и меньше 2, для образования выемки необходимо два ряда скважинных зарядов. Выполняют бульдозерную зачистку поверхности грунта на участках образования выемки. Затем приступают к бурению рядов вертикальных скважин, однако предварительно определяют параметры бурения и взрывания аналогично предыдущему случаю:

P 1,1•6 6,6 м, W 6,6 м, L_скв 6,6 + 0,5•5,6 9,4 м, l_заб 9,4 5,6 3,8 м,

Q_скв=185•5,6 1036 кг.

Расстояние между рядами скважин принимают равным половине проектной ширины выемки по дну, т.е. b_р0,5 B 0,5•10 5 М.

Последовательность рабочих процессов после окончания бурения скважин аналогична примеру 1.

Пример 3. Требуется образовать взрывом скважинных зарядов выброса траншею в граните. Проектная глубина траншеи H=4 м, ширина по дну B=3 м. Диаметр скважин шарошечного бурения d=0,25 м, стоимость бурения C_б 200000 руб. /м. Стоимость ВВ (граммонит 79/21) C_ВВ 1000 руб./кг.

Поскольку B/H= 3/4=0,75 траншея может быть получена взрывом одного ряда скважин. Необходимые параметры бурения и взрывания:

P 1,1•4 4,4 м, W 4,4 м,
L_скв 4,4 + 0,5•3,25 6 м, l_заб 6 3,25 2,75 м,

(где принято K= 2 кг/м³ согласно табл. 1 технических правил ведения взрывных работ на дневной поверхности), Q_скв 44•3,25 143 кг.

Последовательность рабочих процессов аналогична примерам 1 и 2.

Изобретение обеспечивает следующие положительные технические результаты:
достижение требующихся размеров (глубины и ширины по дну) протяженных выемок в грунте;
минимизация удельной (на 1 м³ объема выемки) стоимости работ:
минимизацию удельных трудовых и материальных затрат на проведение работ.

Использование: для образования протяженных выемок в грунте. Сущность изобретения: способ образования протяженных выемок в грунте взрывом на выброс включает бурение рядов вертикальных скважин, размещение в них зарядов ВВ, установку боевиков, заполнение верхней части скважин забоечным материалом, монтаж взрывной сети и последующее взрывание. Длину скважинных зарядов принимают по формуле Расстояние между скважинами определяют по формуле: где H - проектная глубина выемки, м; d - диаметр скважин, м; γ - линейная плотность (масса) заряда, кг/м; К - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³; W - линия наименьшего сопротивления (ЛНС) от центра заряда до открытой поверхности, м; C = 0,5+γ•C_вв/C_б - безразмерный коэффициент, зависящий от стоимости бурения 1 м скважин С_б (руб./м) и 1 кг ВВ в скважине С_ВВ (руб./кг). 5 ил.

Способ образования протяженных выемок в грунте взрывом на выброс, включающий бурение рядов вертикальных скважин, размещение в них взрывчатых веществ, установку боевиков, заполнение свободной части скважин забоечным материалом, монтаж взрывной сети и последующее взрывание, отличающийся тем, что длину скважинных зарядов определяют по формуле

а расстояние между скважинами по формуле

где H проектная глубина выемки, м;
d диаметр скважин, м;
γ линейная плотность (масса) заряда, кг/м;
K расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;
W линия наименьшего сопротивления от центра заряда, м;
C = 0,5+γ (C_вв/C_б) безразмерный коэффициент, зависящий от стоимости бурения 1 м скважины С_б (руб./м) и 1 кг ВВ в скважине С_В В (руб./кг).