Тема 7. Вибухові роботи та речовини

1. Вибухові роботи

У будівництві вибухові роботи застосовують під час розпушування ґрунтів, дроблення скельних і мерзлих ґрунтів та негабаритів, руйнування будівельних конструкцій та будинків і споруд. За допомогою вибуху утворюють котловани і траншеї, споруджують насипи, дамби, спеціальні ґрунтові основи, інші земляні споруди, виконують ущільнення ґрунтів, утворюють камуфлетні порожнини у буронабивних палях і ґрунтових анкерах тощо.

Вибухові роботи – це роботи, під час яких для здійснення механічних процесів використовується енергія вибуху.

Вибухом називають надшвидке хімічне перетворення речовини, що супроводжується виділенням енергії, утворенням стиснених газів та ударної хвилі. Для здійснення вибуху застосовуються вибухові речовини, засоби підривання, технічні засоби утворення зарядних камер та облаштування їх зарядом і забивкою.

Вибухові речовини (ВР) – це хімічні або механічні суміші, здатні під впливом зовнішньої дії змінювати свій стан з великою швидкістю.

У будівництві використовують три типи вибухових речовин – ініціювальні, бризантні та метальні.

Ініціювальні ВР легко вибухають під дією відносно невеликих механічних (удар, прокол) або теплових (вогонь, іскра, тертя) впливів. Це речовини – гримуча ртуть, тринітрорезорцинат свинцю (ТНРС), азид свинцю, тетрил – застосовуються для оснащення капсулівдетонаторів та капсулів-запальників.

У бризантних або дроблячих речовинах вибухове перетворення здійснюється у формі детонації під впливом хвилі від вибуху ініціювальних речовин. Швидкість детонації (поширення вибухового перетворення) досягає 7000–8500 м/с. Найчастіше у будівництві використовують аміачно-селітрові (амоніти), нітрогліцеринові (динаміти) та нітропохідні ароматичного ряду (тротили). Їм властиві порівняно незначна чутливість до удару і безпека при застосуванні.

Метальні ВР мають відносно низьку швидкість вибухового перетворення – 300–400 м/с. До них належать димний та бездимний порох.

У будівництві вибухові речовини застосовують у порошкоподібному, гранульованому (грамоніти, гранулотоли тощо), пресованому, литому, пластичному та розчинонаповненому станах. Порошкоподібні вибухові речовини фасують у паперову тару у патронах, пресовані – у брикетах, розчинонаповнені – у поліетиленових оболонках.

2. Класифікація вибухових матеріалів за підкласами

3. Засоби підривання

Засоби підривання – це детонатори, запалювальні трубки, вогнепровідні шнури, детонувальні шнури, дроти електровибухової мережі, джерела струму, контрольно-вимірювальні прилади.

Капсулі-детонатори (рис. 5.2, а) призначаються для ініціювання зарядів вибухових речовин. Вибухає капсуль-детонатор від пучка іскор вогнепровідного шнура, вибуху детонувального шнура або полум’я електрозапальника.

 Детонатори бувають миттєвої та уповільненої дії (від тисячних часток секунди до кількох секунд). Наприклад, електродетонатор уповільненої дії (рис. 5.2, д) має, крім капсуля-детонатора й електрозапальника, сповільнювач, розміщений між запальною речовиною та ініціювальним зарядом капсуля-детонатора. Застосування детонаторів з різним уповільненням дає змогу зменшити сейсмічну та метальну дію вибуху під час одночасного підривання великої кількості вибухових пристроїв.

Запалювальні трубки, як правило, виготовляють на місці виконання вибухових робіт (рис. 5.2, г). Вони складаються з капсулядетонатора, вогнепровідного шнура (ВШ) та тліючого ґнота (за потреби). Підпалення запалювальних трубок, розміщених у зарядах, здійснюють тліючим гнітом, відрізком вогнепровідного шнура, запалювальним патрончиком.

Детонувальний шнур (ДШ) використовують для одночасного підривання кількох зарядів. Він складається з серцевини з бризантної вибурової речовини (ТЕНу гексогену) із двома напрямленими нитками та низкою внутрішніх і зовнішніх обплетень, покритих вологоізольованою оболонкою. Під час влаштування вибухової мережі детонувальний шнур з’єднують внакладку з капсулем-детонатором прямим вузлом подвійною петлею (рис. 5.2, в) або, при виході ДШ із зарядів, пучком. Якщо кінців ДШ не більше шести, їх підривають запалювальною трубкою, якщо більше – тротиловою шашкою (рис. 5.2, б).

Рис. 5.2. Приладдя для вогневого та електричного способів підривання: а – капсуль-детонатор; б – способи підривання детонувального шнура; в – з’єднання детонувального шнура; г – запалювальна трубка, що виготовляється на місці роботи; д – електродетонатор уповільненої дії; 1 – гільза; 2 – чашечка; 3 – сітка; 4 – ТНРС; 5 – азид свинцю; 6 – гримуча ртуть; 7 – тетрил (або ТЕН, або гексоген); 8 – капсулі-детонатори; 9 – гніт; 10 – бурова шашка; 11 – з’єднання внакладку; 12 – те саме внакладку із капсулем-детонатором; 13 – те саме, прямим (морським) вузлом; 14 – те саме, подвійною петлею; 15 – ізоляційна стрічка; 16 – тліючі гніти; 17 – дроти; 18 –пластикова пробка; 19 – платиновоіридієвий місток; 20 – запалювальна суміш; 21 – мастика; 22 – сповільнювач вибуху

 Джерелами струму можуть бути вибухові машинки, сухі батареї та елементи, лужні й кислотні акумулятори, а також пересувні силові, освітлювальні електростанції та стаціонарні електроосвітлювальні мережі.

4. Способи підривання

Під час підривання використовують вибухові речовини у вигляді зарядів. Заряд – це розрахована за масою і формою розміщення вибухова речовина, вміщена у зарядну камеру та оснащена засобом підривання.

За формою розрізняють заряди зосереджені, подовжені та розосереджені.

 Заряди бувають зовнішні (накладні), розташовані на поверхні об’єкта, та внутрішні – розташовані всередині об’єкта, що підлягає підриванню. Внутрішні заряди розміщують у зарядних камерах (порожнина, достатня для правильного розміщення заряду та засобу підривання), що утворюються за допомогою технічних засобів або вручну у вигляді шпурів, свердловин, котлів, шурфів, штолень тощо.

Для забивки використовують пластичні (глинопіщані) суміші і сипучі (бурове борошно, пісок, дрібний щебінь тощо) матеріали, воду в поліетиленових ампулах, швидкотверднучі матеріали (гіпсові та цементні швидкотверднучі розчини) та тверді матеріали (саморозклинювальні пробки тощо).

Залежно від засобів підривання розрізняють три способи підривання – вогневий, електричний за допомогою детонувального шнура.

Два перших способи підривання можна використовувати самостійно. Підривання зарядів детонувальним шнуром виконують разом з вогневим або електричним способами.

Вогневий спосіб застосовують для дроблення конструктивних елементів, валунів та негабаритів, улаштування горизонтальних виробок тощо. Підривання зарядів здійснюють за допомогою запалювальних трубок.

Електричний спосіб застосовують при потребі для одночасного підривання великої кількість зарядів. Для здійснення вибуху потрібні електродетонатори, дріт (з якого монтують електровибухову мережу), джерела струму та контрольно-вимірювальні прилади.

Підривання детонувальним шнуром виконують у разі потреби підірвати одночасно велику групу зарядів, зокрема розосереджених. Цей спосіб забезпечує надійний захист від блукаючих струмів, істотно зменшує небезпеку під час виконання робіт по заряджанню і, особливо, під час ліквідування несправностей.

 За черговістю підривання окремих зарядів (або їхніх груп) розрізняють миттєве, короткоуповільнене та уповільнене підривання.

За спрямованістю енергії вибуху розрізняють підривання на викид, розпушування (дроблення) та ущільнення.

Ефект дії вибуху характеризує воронка викиду (рис.5.3, а, б), що має форму як простого перевернутого конусу. Основні елементи воронки викиду: W – відстань від центра заряду до найближчої відкритої поверхні (ЛНО – лінія найменшого опору); k – радіус дії вибуху (радіус руйнування); Г – радіус воронки викиду; п – відношення радіуса воронки викиду до лінії найменшого опору. п = Г /W – показник дії вибуху.

Рис. 5.3. Схеми розміщення зарядів для вибуху на викид ґрунту: а – ефект викиду ґрунту від вибуху заряду; б – елементи воронки; в – розміщення зарядів для спрямованого викиду ґрунту при одночасному підриванні; г – те саме, при різночасному; д – шурф для закладання зосередженого заряду в ґрунт; W – висота гребня воронки; р – загальна глибина воронки із урахуванням висоти гребня (валика); с – маса заряду; 1 – заряди ВР; 2 – напрямок викиду основної маси ґрунту; 3 – зарядна камера; І, ІІ, ІІІ – послідовність підривання зарядів

 Залежно від величини п розрізняють воронку нормального викиду (п=1), посиленого (п>1); послабленого (п<1); випираючої дії  (п<0,75) – зовнішня дія виявляється лише у подрібненні та деякому випиранні поверхні; ущільнювальної дії – камуфлетну (п = 0; зовнішня дія на поверхні ґрунту не виявляється).

5. Різновиди вибуху.

Вибухами на розпушування підривають тверді і крихкі гірські породи, скельні, напівскельні та мерзлі грунти, бетонні, залізобетонні, кам’яні, металеві, інші конструктивні елементи споруд, що не стискаються.

Вибухами на ущільнення утворюють підземні виробітки та порожнини у ґрунтах, що стискаються, камуфлетні порожнини для буронабивних паль та ґрунтових анкерів, що ущільнюють незв’язні й осадкові ґрунти. Вибухами на викид здійснюють переміщення ґрунтових мас при утворенні профільних земляних споруд у вигляді виїмок (котлованів, траншей), каналів, насипів, дамб, спеціальних основ, а також у процесі очищення та поглиблення річок тощо.

 Різновидами вибуху на викид є спрямований викид ґрунту під час зведення земляних валів, перемичок та гребель (рис. 5.3, в, г) та вибух на скидання, що застосовується для утворення стійких площадок на косогорах, обваленні нестійких масивів та під час улаштування перемичок і гребель у гористій місцевості.

Залежно від форми, розмірів та способу розміщення заряду вибухових робіт по відношенню до об’єкта, що підривається, розрізняють такі методи виконання вибухових робіт – шпурових зарядів, якщо заряд розташовано всередині об’єкта підривання у шпурах; свердловинних зарядів – те саме, тільки у свердловинах; котлових зарядів – у шурфі або свердловині, що мають розширення у вигляді котла; камерних зарядів – підривання великих зосереджених зарядів масою до кілька сотень тонн у спеціальних виробітках-камерах; щілинних зарядів – підривання подовжених за формою (іноді розділених на окремі частини) зарядів, розміщених у спеціальних вузьких виїмках-щілинах; комбінованих зарядів, що включає різні комбінування розглянутих методів; зовнішніх зарядів (накладних), при якому заряди розташовують на поверхні об’єкта, що підривають.

6. Методи підриву зарядів

Метод шпурових зарядів застосовують під час розпушування або дроблення скельних, напівскельних та мерзлих ґрунтів (рис. 5.4, а), окремих каменів, негабаритів та будівельних конструкцій (рис. 5.4, б), руйнування несівних конструкцій у разі обрушення будинків та інженерних споруд, проходка допоміжних виробіток під час підготовки вибухів на викид або, наприклад, для утворення котлів (рис. 5.4, в) тощо. Поодинокі шпурові заряди застосовують під час корчування.

На площині шпури розміщують у ряд або в шаховому порядку і заряджають тротиловими шашками, патронами з гігроскопічних порошкоподібних і гранульованих вибухових речовин. Заряд у шпурі має займати не більш як 2/3 його довжини. Верхню третину шпуру заповнюють забивкою – спочатку пластичною сумішшю у вигляді глинопіщаного пижа, потім сипким матеріалом – піском або буровим борошном. Підривають шпурові заряди електричним способом або за допомогою детонувального шнуру. Для зменшення сейсмічної дії вибуху застосовують електродетонатори уповільненої дії або по контуру виїмки нарізають щілини, що компенсують ударну хвилю.

Метод свердловинних (колонкових) зарядів застосовують у разі утворення виїмок великого об’єму вибухами на викид або при відбиванні уступів виїмок (рис. 5.4, д), розпушуванні ґрунтів, що промерзли на значну глибину (понад 1,5–2 м), руйнуванні великих бетонних фундаментів, ущільненні ґрунтів тощо. Свердловинні заряди бувають вертикальні, похилі та горизонтальні. Вертикальні та похилі свердловини влаштовують нижче підошви уступу (перебур) на глибину 0,6–2 м. Відстань між крайнім рядом свердловин і боковою поверхнею уступу приймають від 0,5 до 0,25 його висоти. Свердловини у ряду розташовують на відстані 0,7–0,9 м, а відстань до свердловин наступного ряду приймають на рівні 0,6–0,8 м.

Заряджають їх зосередженими або подовженими зарядами з використанням гранульованих вибухових речовин і підривають електричним способом або детонувальним шнуром при обов’язковому дублюванні вибухової мережі. Підривають свердловинні заряди як без уповільнення, так і з уповільненням. Останнє забезпечує більш якісне дроблення матеріалу, що підривається, знижує питомі витрати вибухових речовин та сейсмічність вибуху.

Метод котлових зарядів. Котел – це порожнина, утворена розбурюванням або прострелюванням шпура (свердловини). Вибухове утворення котла (рис. 5.4, в) застосовують, якщо ґрунти незаводнені та піддаються ущільненню.

 Застосування цього методу збільшує об’єм грунту, що підривається одним зарядом, та істотно зменшує обсяги бурових робіт щодо методів шпурових і свердловинних зарядів.

Метод камерних зарядів застосовують для одночасного розпушування і відкидання великого об’єму ґрунту, коли допустимо утворення великогабаритних масивів. Для розміщення великих зосереджених зарядів (маса заряду може сягати від кілька десятків до кілька сотень тонн) утворюють спеціальні виробітки-камери. Якщо висота уступу до 8 м, застосовують шурфи (рис. 5.3, д), понад 8 м – горизонтальні галереї (штольні), в яких у бокових напрямках улаштовують зарядні або мінні камери для розміщення великих зосереджених зарядів.

Метод малокамерних зарядів – це різновид камерних зарядів, який виконується підриванням зосереджених зарядів, розміщених у горизонтальних (рис. 5.4, г) або похилих виробітках (рукавах) перерізом 0,5×0,5 м. Довжина рукава має дорівнювати 2/3 висоти уступу, але бути не більшою ніж 5 м. Відстань між рукавами має становити 0,8–1,5 м. Використовують цей метод, як правило, при розпушуванні ґрунтів, якщо висота уступу менша ніж 6 м, а в підошві уступу залягає прошарок нетвердого ґрунту, що легко розробляється при проходці рукава.

Метод щілинних зарядів застосовують для розпушування мерзлих ґрунтів (рис. 5.4, є). Щілини нарізають буровими або дискофрезерними машинами на глибину промерзання – (0,90–0,95) м. Відстань між щілинами визначають з умови отримання шматків ґрунту, розмір яких відповідає типорозміру робочого органа землерийної машини (екскаватора). У щілинах розміщують заряди подовженої форми (іноді розділені на окремі частини). Щілини заряджають через одну. Крайні та проміжні щілини, що незаряджені, призначено для компенсування зсуву мерзлого ґрунту під час вибуху та зменшення сейсмічного ефекту.

Метод комбінованих зарядів передбачає комбінування основних методів виконання вибухових робіт, що визначається конкретними умовами виробництва, властивостями і параметрами елементів, що підриваються, економічною доцільністю. Найчастіше комбінують методи свердловинних і шпурових, камерних і малокамерних, свердловинних і камерних зарядів.

Метод зовнішніх (накладних) зарядів (рис. 5.4, є) застосовують для руйнування негабаритів, валунів, бетонних конструкцій, зокрема під водою, а також металевих і дерев’яних конструкцій тощо.

Рис. 5.4. Схеми розміщення зарядів при розпушуванні грунту: а – розміщення шпурових зарядів у масиві породи, що розробляється; б – те саме, у разі подрібнення великих каменів; в – послідовність улаштування зарядної камери (котла) у шпурі; г – розміщення малокамерних зарядів у кінці рукавів; д – те саме, свердловинних (колонкових) зарядів; е – те саме, щілинних зарядів; є – те саме, накладних (зовнішніх) зарядів; 1 – заряди; 2 – шпури; 3 – забивка; 4 – заряд для першого прострілювання; 5 – результат першого прострілювання; 6 – заряд для другого прострілювання; 7 – результат другого прострілювання; 8 – перебур; 9 – забій; 10 – зарядні щілини; 11 – напрямок зсуву грунту під час вибуху; 12 – незаряджені щілини; 13 – руйнування міжщілинного масиву

Для збільшення ступеня дроблення накладним зарядом вибухову речовину укладають шаром 2–2,5 см товщиною (плоскі заряди). Заряди накривають шаром забивки і підривають вогневим способом, де кілька зарядів – детонувальним шнуром. Електричний спосіб використовують рідко. Вибухові роботи належать до особливо небезпечних і відповідальних. Тому їх слід виконувати за спеціальним проектом, зокрема, виконання буровибухових робіт, розробленим з дотриманням вимог відповідних нормативних документів, правил безпеки праці. Вибухові роботи виконують спеціалізовані організації, які мають дозвіл на право ведення буровибухових робіт у будівництві.