СПОСОБ ОБРУШЕНИЯ СООРУЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК F42D3/02 

Изобретение относится к взрывным работам специального назначения и предназначено для разрушения конструкций и для использования в строительстве, главным образом, при обрушении подлежащих ликвидации зданий и сооружений. Изобретение может быть также использовано для дробления горных пород, вскрытия ледового покрова, рыхления и перемещения грунта, проведения сейсморазведочных работ.

При реконструкции промышленных предприятий и городской застройки существует потребность в ликвидации различных зданий и сооружений. Ликвидация состоит в обрушении сооружений с последующей эвакуацией обрушенного материала. Обрушение производят как с помощью механических средств, так и взрывным способом. Взрывное обрушение имеет ряд преимуществ, выражающихся в большей безопасности работ при сносе объектов вблизи транспортных магистралей, меньшей продолжительности операций, лучшем управлении процессом обрушения, возможности применения более эффективных способов эвакуации обрушенного материала, а главное - в более высокой экономичности работ.

В настоящее время взрывное обрушение получило в строительстве широкое распространение, разработаны и эффективно используются различные способы и устройства для их реализации применительно к условиям конкретных работ.

Так, известен способ обрушения сооружений взрывом с использованием шпуровых зарядов конденсированного взрывчатого вещества (ВВ) [1].

В соответствии с данным способом в стенах ликвидируемого объекта с внутренней стороны по определенной схеме бурят шпуры требуемых диаметра и глубины. В шпуры закладывают заряды ВВ. С помощью электродетонаторов или детонирующего шнура производят синхронный подрыв зарядов. В результате бризантного действия взрыва, воздействия ударной волны и расширяющихся газообразных продуктов детонации происходит заданное разрушение стен, как правило, у их основания, и последующее обрушение сооружения.

Однако данный способ, в силу необходимости проведения буровых работ внутри ликвидируемого сооружения, практически неприменим при обрушении аварийных и полуразрушенных зданий, проведение буровых работ в которых недопустимо в соответствии с требованиями безопасности труда. Это значительно сужает область применения способа.

Более широкими возможностями в работах по ликвидации строительных объектов практически любой степени аварийности обладает способ взрывного обрушения сооружений, описанный в [2] и принятый в качестве прототипа.

Способ состоит в воздействии на элементы сооружения, подлежащего обрушению, детонационной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при взрыве одного или нескольких наружных сосредоточенных зарядов конденсированного ВВ. Предварительно определяют прочностное состояние элементов сооружения. По их прочности и необходимому объему разрушений устанавливают массу зарядов ВВ и схему их расположения. В зависимости от конкретных требований по разрушению объекта заряды располагают как у основания стен, так и на бетонных перекрытиях и полах.

Поскольку заряды располагают снаружи разрушаемых элементов сооружения, то для задержки бокового разлета газообразных продуктов детонации и усиления местного действия взрыва на разрушаемые элементы заряды ВВ помещают в массивный корпус. Корпус выполняют в виде наружной забойки из глины или песка и открытым с одной или нескольких сторон, обращенных к разрушаемым элементам сооружения. Для инициирования зарядов используют капсюли-детонаторы или электродетонаторы. Таким образом, для осуществления способа служит устройство, содержащее открытую с одной или нескольких сторон зарядную камеру, заполняемую взрывчатым веществом, и один или несколько детонаторов.

Данные способ и устройство характеризуются относительной безопасностью подготовительных и монтажных работ и обеспечивают в то же время эффективное обрушение как аварийных строений, так и высокопрочных бетонных и железобетонных сооружений, по каким-либо причинам подлежащих ликвидации.

Однако имеются и серьезные недостатки, выражающиеся в ограниченности эксплуатационных возможностей при использовании прототипа и в высокой стоимости изготовления зарядов из конденсированного ВВ. При взрыве образуются химически агрессивные и высокотоксичные газы, такие, например, как диоксид азота NO₂ Требуется дорогостоящая организация работ, связанная со специальными хранением, охраной и транспортировкой зарядов ВВ к месту их использования. Возможны случаи отказа в подрыве некоторого количества зарядов и их завала обрушившимся материалом. При последующем перемещении и эвакуации материала возможны взрывы этих зарядов с трагическими последствиями для людей.

Таким образом, изобретение направлено на решение задачи по расширению эксплуатационных возможностей способа обрушения сооружений и понижению стоимости работ. Технический же результат при решении этой задачи выражается в повышении безопасности подготовительных операций и действий по эвакуации обрушенного материала, уменьшении вредного экологического воздействия взрыва на окружающую среду.

Это достигается за счет того, что в способе взрывного обрушения сооружений, включающем предварительное определение прочностного состояния элементов сооружения, массы и схемы расположения заряда взрывчатого вещества и последующее разрушающее воздействие на элементы сооружения детонационной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при взрыве заряда взрывчатого вещества, согласно изобретению, в качестве взрывчатого вещества используют горючую газовую смесь, определяют по прочностному состоянию элементов сооружения необходимое для разрушающего воздействия давление в детонационной волне и устанавливают соответствующее ему начальное давление газовой смеси, величину которого определяют из зависимости параметров детонации смеси от параметров ее начального состояния, используя для этого следующее соотношение

где P - давление в детонационной волне;
P_о - начальное давление газовой смеси;
ρ₀ - начальная плотность газовой смеси;
D - скорость детонационной волны;
C_о - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии;
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

При этом горючую газовую смесь получают путем смешивания во взрывоспособном соотношении горючего газа и газа-окислителя, получают смесь на месте ее применения, а также получают ее при стехиометрическом соотношении горючего газа и газа-окислителя.

Для реализации способа устройство для обрушения сооружений, содержащее открытую с одной или нескольких сторон зарядную камеру и инициатор детонации взрывчатого вещества, согласно изобретению, снабжено трубопроводной арматурой подачи в зарядную камеру компонентов горючей газовой смеси и одной или более диафрагмами, сочлененными с зарядной камерой и герметично изолирующими ее внутренний объем от окружающей среды. При этом каждая из диафрагм имеет прочность на разрыв много меньше прочности на разрыв зарядной камеры.

Именно снабжение устройства трубопроводной арматурой подачи в камеру компонентов горючей газовой смеси и одной или несколькими диафрагмами, герметично изолирующими внутренний объем камеры от окружающей среды, обеспечивают использование в качестве взрывчатого вещества горючей газовой смеси требуемого состава и ее удержание внутри зарядной камеры под требуемым давлением в виде сосредоточенного заряда, с последующим оказанием сильного местного разрушающего действия взрыва. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые способ и устройство связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сопоставительный анализ изобретения и прототипа позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных изменением как приемов, так и конструкции используемого для этого устройства. Таким образом, заявляемые объекты отвечают критерию "Новизна".

На фиг. 1 дано устройство для осуществления способа; на фиг.2 - установка устройства у разрушаемого элемента сооружения, заполнение зарядной камеры компонентами горючей газовой смеси; на фиг.3 - инициирование детонации смеси; на фиг.4 - разрушение элемента сооружения взрывом смеси; а фиг. 5 - график зависимости давления в детонационной волне от начального давления для стехиометрической водородо-кислородной смеси (гремучего газа).

Устройство (фиг. 1) для обрушения сооружений по заявляемому способу состоит из зарядной камеры 1, установленных в стенке камеры газового вентиля 2 подачи горючего газа, газового вентиля 3 подачи газа-окислителя, элемента 4 инициирования детонации смеси, диафрагмы 5, герметично сочлененной с камерой 1 с открытой ее стороны и изолирующей внутренний объем от окружающей среды, прижимного кольца 6 с элементами крепления 7 и уплотнительной прокладки 8.

Камера 1 может быть изготовлена из металла, бетона, композиционного материала и т. п. и иметь любую требуемую форму: сферическую, коробчатую, трубчатую и т. д. и любую протяженность. В зависимости от конкретной решаемой задачи камера может быть открыта как с одной, так и с нескольких сторон, иметь одно окно большой площади или ряд относительно небольших окон, расположенных по определенной системе с разных сторон. Назначение окон - выход из зарядной камеры детонационной волны и расширяющихся продуктов взрыва, образующихся при взрыве горючей газовой смеси, в направлении элементов сооружения, на которые оказывается разрушающее воздействие. Конфигурация окон при этом может быть самой различной. В качестве газовых вентилей 2 и 3 для подачи компонентов горючей газовой смеси могут быть использованы газовые вентили ВК-86. В качестве элемента инициирования детонации 4 - высоковольтная автомобильная свеча зажигания А17ДВ, А20Д-1 и др. Диафрагма 5 изготавливается из листового металла, резины, полиэтилена или любого другого подходящего листового материала, способного выдержать начальное давление горючей газовой смеси в зарядной камере. Прочность такой диафрагмы на разрыв много меньше прочности на разрыв относительно толстостенного массивного корпуса камеры 1.

Материалом герметизирующей прокладки 8 в области сочленения диафрагмы 5 с камерой 1 служит обычная или вакуумная резина. Однако в качестве герметика может быть использована вакуумная замазка или любая консистентная смазка типа литола, солидола, циатима и т. п., наносимая тонким слоем на поверхность контакта диафрагмы с камерой. Прижимное кольцо изготавливается из стали или алюминиевого сплава. В качестве элементов крепления 7 предпочтительны болты.

Способ осуществляют следующим образом.

Перед началом работ выбирают для использования в качестве взрывчатого вещества горючую газовую смесь. Выбирают наиболее подходящие горючий газ и газ-окислитель. В качестве горючего газа могут использоваться относительно недорогостоящие водород (H₂), ацетилен (C₂H₂), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀) и др. а в качестве газа-окислителя - кислород или атмосферный воздух. Основанием для выбора тех или иных газов могут служить требуемая калорийность смеси, нетоксичность, доступность приобретения в необходимом количестве и т. п. Для выбранных газов по справочной литературе, например, [3], определяют процентное содержание горючего газа в смеси, обеспечивающее ее надежное взрывчатое превращение. Концентрационные пределы взрываемости смеси горючих газов с кислородом или воздухом в настоящее время достаточно хорошо известны. В нижеследующей таблице приведены данные по концентрационным пределам взрываемости для наиболее распространенных горючих газов [3].

Данные свидетельствуют о взрывоспособности смесей в широком диапазоне варьирования их компонентов.

Обследуют подлежащее обрушению сооружение и устанавливают его прочностное состояние.

По прочности элементов сооружения и требуемому объему их разрушений определяют механическую работу, которую надо совершить при взрыве.

По величине механической работы и калорийности выбранной горючей газовой смеси (справочная величина) вычисляют требуемую массу горючей газовой смеси.

Определяют давление при взрыве (давление в детонационной волне), необходимое для разрушения материала элементов сооружения, (берут его равным пределу прочности этого материала). Давление в детонационной волне зависит от состава смеси, соотношения ее компонентов, начального давления и определяется известным из физики взрыва [3] выражением

где P - давление в детонационной волне;
P_о, ρ₀ - начальное давление и начальная плотность газовой смеси, соответственно,
D - скорость детонационной волны,
C_о- скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии;
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

По требуемой для разрушения величине давления в детонационной волне P в соответствии с вышеприведенным соотношением определяют для выбранной газовой смеси ее начальное давление P₀ (давление перед возбуждением детонации). Значения D, C₀, k при проведении вычислений берут из соответствующей справочной литературы, например, [3] . Для практического удобства зависимость P(P₀) для конкретной газовой смеси может быть построена в табличном или графическом виде, например, как показано на фиг. 5. Определение величины P₀ в производственных условиях при этом значительно упрощается.

Таким образом находят состав, массу и необходимое общее начальное давление горючей газовой смеси.

По массе и начальному давлению смеси находят объем, который горючая газовая смесь должна занимать в исходном состоянии (перед взрывом). Такой объем должна иметь полость зарядной камеры.

По процентному содержанию газов в смеси и общему ее начальному давлению определяют парциальное давление каждого из газов в создаваемом ими давлении P₀. (Например, если общее начальное давление смеси P₀ = 10 атм, а ее состав: 66% горючего газа + 34% газа- окислителя, то давление горючего газа в смеси должно составлять 6,6 атм., а газа-окислителя - 3,4 атм.).

Изготавливают устройство с зарядной камерой требуемого объема.

Устанавливают устройство у разрушаемого элемента сооружения 9 вплотную к его поверхности или на определенном заданном расстоянии на требуемой высоте (фиг. 2). При этом открытую сторону камеры с закрепленной диафрагмой обращают к разрушаемому элементу. Через газовый вентиль 2, соединенный посредством дюритового шланга с газовой магистралью или баллоном со сжатым газом, заполняют зарядную камеру 1 горючим газом под требуемым давлением. Через газовый вентиль 3, соединенный также дюритовым шлангом с газовой магистралью, баллоном со сжатым газом или воздушным компрессором, заполняют зарядную камеру 1 под требуемым давлением газом-окислителем. Давление газов задают с помощью внешних газовых редукторов и контролируют с помощью внешнего газового манометра (не показаны). Суммарное давление газов составляет величину P₀. Последовательность заполнения камеры газами может быть любой: сперва горючим газом, а затем - газом-окислителем, либо сперва газом- окислителем, а затем - горючим газом.

После заполнения камеры 1 газовыми компонентами и получения горючей газовой смеси требуемого состава под требуемым начальным давлением производят инициирование детонации смеси (фиг. 3). Для этого на элемент инициирования 4 подают импульс высокого напряжения. Внутри камеры 1 происходит высоковольтный электрический разряд, возбуждающий детонацию.

Детонационная волна и разогретые до высокой температуры продукты взрыва выходят на диафрагму 5, прорывают ее и воздействуют на разрушаемый элемент сооружения. Осуществляется сосредоточенное высокоинтенсивное ударно-волновое и фугасное воздействие, приводящее к разрушению элемента сооружения (фиг. 4).

Здесь описана работа одного устройства. При практической реализации способа может быть использовано любое необходимое количество устройств с различной конфигурацией зарядной камеры. Устройства при этом в зависимости от особенностей обрушаемого сооружения будут располагаться по требуемой схеме и задействоваться либо одновременно, либо в заданной последовательности.

Путем варьирования P_о (за счет простого повышения или понижения начального давления компонентов газовой смеси в зарядной камере 1) могут реализовываться давления при взрыве от единиц до сотен и даже тысяч атмосфер. Температура продуктов взрыва за фронтом детонационной волны в зависимости от используемого горючего газа может достигать 5,3•10^3 oC. При этом тепловое расширение газов обеспечивает сильное фугасное действие взрыва.

Пример. Использовали в качестве разрушаемого элемента сооружения бетонную стену толщиной 0,2 м (H=0,2 м).

Исследовали прочностное состояние стены и установили, что ее материал имеет предел прочности на сжатие 300 кгс/см² ( σ_в= 300 кгс/см² )
Задали, что площадь разрушения стены (площадь пролома) должна составлять один квадратный метр (S = 1м²).

Вычислили механическую работу, которую надо совершить над стеной, чтобы произвести требуемое разрушение: A = σ_в•H•S = 6•10⁶ Дж.
Выбрали в качестве горючей газовой смеси стехиометрическую водородо-кислородную смесь (2H₂ + O₂ - гремучий газ). Процентный состав смеси: 66% водорода + 34% кислорода.

Определили по справочнику калорийность гремучего газа: q_c= 13,6•10⁶ Дж/кг.

Вычислили массу гремучего газа, обеспечивающую при взрыве энерговыделение, необходимое для совершения работы по разрушению стены: m_c = A/q_c = 0,44 кг.

Определили по справочнику плотность гремучего газа при атмосферном давлении: ρ_c= 0,55 кг/м³. .

Вычислили необходимый объем гремучего газа при атмосферном давлении: V_c= m_c/ρ_c= 0,8 м³. .

Определили по прочности материала стены необходимое для его разрушения давление в воздействующей детонационной волне: P = σ_в= 300 атм.
По аналитической зависимости параметров детонации газовых смесей от параметров начального состояния [3] построили для гремучего газа график зависимости давления в детонационной волне от начального давления - P(P_о), приведенный на фиг. 5.

По величине требуемого давления в детонационной волне P = 300 атм с использованием построенного графика (фиг. 5) определили необходимое начальное давление смеси P₀ (показано на графике стрелками). Получили P_о ≈ 15 атм.

Вычислили объем, который должна иметь зарядная камера, чтобы содержать требуемое количество гремучего газа под требуемым начальным давлением: V_з = М_с•1/P_о = 0,053 м³.

Изготовили стальную зарядную камеру коробчатой формы, открытую с одной стороны. Внутренние размеры камеры: 400 мм • 400 мм • 330 мм. Внутренний объем - 0,053 м³. Толщина стенки - 35 мм.

Из стального листа толщиной 0,8 мм вырезали диафрагму с размерами 545 мм • 545 мм.

Установили диафрагму на зарядную камеру с открытой стороны и через кольцевую резиновую прокладку герметично соединили с камерой с помощью стального прижимного кольца и 12 болтов М24. Снабдили камеру двумя газовыми вентилями ВК-86 и высоковольтной свечой зажигания А17ДВ.

Установили камеру у стены вплотную к ней на расстоянии 300 мм от основания.

Один из газовых вентилей с помощью дюритового шланга соединили с баллоном со сжатым кислородом.

Осуществили продувку камеры кислородом.

Заполнили камеру кислородом до давления 5 атм. Соединили второй газовый вентиль с помощью дюритового шланга с баллоном со сжатым водородом. Заполнили взрывную камеру водородом до суммарного давления 15 атм (доля водорода в общем давлении -10 атм). Контроль давления в камере осуществляли с помощью газового манометра МВШО-20. В камере образовалась стехиометрическая горючая водородо-кислородная смесь состава 2: 1 (2H₂ + O₂). Отсоединили дюритовые шланги от вентилей.

На свечу зажигания А17ДВ, соединенную радиочастотным кабелем РК75-4-11 с генератором высоковольтных импульсов, подали импульс напряжения 6 кВ. В полости камеры произошел высоковольтный разряд. Возбудилась детонация смеси с давлением во фронте волны 300 атм и температурой около 3200^oC.

Детонационная волна и раскаленные газы прорвали диафрагму и воздействовали на разрушаемую стену, образовав в ней пролом площадью примерно 1м.

При взрыве образовались нетоксичные продукты детонации, состоящие в основном из паров воды H₂O, гидроксильной группы OH, атомарных и молекулярных кислорода и водорода: O, H, O₂, H₂.

При изготовлении зарядной камеры в виде жесткой конструкции из высокопрочной стали она может извлекаться из-под завалов обрушившегося материала и использоваться многократно с заменой одной лишь диафрагмы.

При использовании данного способа приготовление взрывчатого вещества (горючей газовой смеси) производится непосредственно на месте его применения.

Само приготовление смеси, а также доставка и хранение ее компонентов являются сравнительно безопасными процедурами. К тому же сжатые горючие газы, сжатые кислород или воздух имеют относительно невысокую стоимость их производства и содержания. Все это делает данный способ более экономичным и безопасным и открывает дополнительные возможности для более широкого его использования,
По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения заявляемый объект не требует проведения опасных подготовительных работ, экономичен и экологически безвреден, что делает его более отвечающим условиям высоких технологий.

Литература.

1. Кутузов Б. Н. Взрывные работы. М.: Недра, 1988, с. 341-343.

2. Вайхельт Ф. Руководство по промышленным взрывным работам. М.: Госиздательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960, с. 291-293 - прототип.

Станюкович К. П. Физика взрыва, изд. 2, М.: Наука, 1975.

Изобретение предназначено для обрушения подлежащих ликвидации зданий и сооружений. Предварительно определяют прочностное состояние элементов сооружения, массу и схему расположения заряда ВВ в виде горючей газовой смеси. По прочностному состоянию элементов сооружения определяют необходимое давление в детонационной волне и устанавливают соответствующее ему начальное давление газовой смеси. На месте смешивают во взрывоспособном соотношении горючий газ и газ-окислитель в стехиометрическом соотношении. Зарядная камера 1 содержит инициатор детонации 4 газовой смеси и трубопроводную арматуру подачи компонентов газовой смеси. Диафрагма 5 герметично сочленена с зарядной камерой с открытой ее стороны и имеет прочность на разрыв меньше прочности на разрыв зарядной камеры. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ взрывного обрушения сооружений, включающий предварительное определение прочностного состояния элементов сооружения, массы и схемы расположения заряда взрывчатого вещества и последующее разрушающее воздействие на элементы сооружения детонационной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при взрыве заряда взрывчатого вещества, отличающийся тем, что в качестве взрывчатого вещества используют горючую газовую смесь, определяют по прочностному состоянию элементов сооружения необходимое для разрушающего воздействия давление в детонационной волне и устанавливают соответствующее ему начальное давление газовой смеси, величину которого определяют из зависимости параметров детонации смеси от параметров ее начального состояния, используя для этого следующее соотношение:

где Р - давление в детонационной волне;
Р₀ - начальное давление газовой смеси;
ρ₀ - начальная плотность газовой смеси;
D - скорость детонационной волны;
С₀ - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии;
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают путем смешивания во взрывоспособном соотношении горючего газа и газа-кислителя. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают на месте ее применения. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают при стехиометрическом соотношении горючего газа и газа-окислителя. 5. Устройство для обрушения сооружений, содержащее открытую с одной или нескольких сторон зарядную камеру и инициатор детонации взрывчатого вещества, отличающееся тем, что оно снабжено трубопроводной арматурой подачи в зарядную камеру компонентов горючей газовой смеси и одной или более диафрагмами, сочлененными с зарядной камерой и герметично изолирующими ее внутренний объем от окружающей среды. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что каждая из диафрагм имеет прочность на разрыв много меньше прочности на разрыв зарядной камеры.