Использование процесів, властивих об'ємному вибуху у різноманітних галузях народного господарства

Использование процесів, властивих об'ємному вибуху у різноманітних галузях народного хозяйства.

И. І. Куркулів, член-кореспондент РАРАН, доктора технічних наук,.

А. І. Ильиничев, науковий сотрудник.

1. Використання об'ємного вибуху для знесення будинків та сооружений.

Согласно генеральному плану реконструкції Москви у протягом найближчого часу повинні бути знесені понад 2.000 панельних будинків старої будівлі. Аналогічні проблеми стоять перед міською владою інших містах Росії. У зв’язку з цим виникає потреба у розробці ефективний метод прискореного знесення зданий.

Анализ існуючих методів руйнації панельних будинків показав, що найбільше поширення має метод послідовної розбірки, у якому конструкція з допомогою баштових кранів і той будівельної техніки послідовно розбирається з даху до нижніх этажей.

Недостатками цього методу є великі терміни виконання (3? 4 місяці), небезпека проведення висотних робіт у умовах порушення конструкційної цілісності будівлі, особливо у зимовий період, використання дорогої техніки ручної праці, необхідність виконання газосварочных робіт у закритих приміщеннях, що пов’язані з влученням у шкідливих газів, висока вартість работ.

Очень часто, особливо в руйнуванні старих будівель у частині міста, використовується метод простого механічного руйнації будинків із використанням копрів, екскаваторів, а останнім часом і з допомогою спеціальних маніпуляторів. До жалю, застосування такого методу утруднено при руйнуванні будинків заввишки більш 20 м, і навіть мають жорсткий каркас (панельні вдома). Проте цей метод то, можливо удосконалений шляхом застосування технології ?стягивающейся петлі¦. У цьому будинок охоплюють петлею з особливо міцних тросів, які потім за допомогою трьох-чотирьох бульдозерів (залежно від міцності панелей) затягуються, що зумовлює руйнації конструкцій і обрушенню здания.

На базі останніх досягнень фізики вибуху розроблено й застосовується практично нова технологія руйнації будинків з допомогою об'ємного (вакуумного) вибуху. Сутність цього методу полягає у спеціально організованому процесі, включающем:

? руйнація несучих конструкцій вдома вибухом, у своїй забезпечується роздрібнення панелей і інші елементи на части;

? збирання і вивезення залишків будинку, переробку їх у дробильно-сортировочном комплексі (до 800 т залізобетонних уламків за смену);

? використання кінцевий продукт в дорожньому будівництві та виробництві стінових материалов.

Строительные конструкції досить складно піддаються швидкої руйнації унаслідок їх армування, пружності й інших чинників. У зв’язку з цим їхнього руйнації традиційними вибуховими методами потрібні великі матеріальні і людські витрати, дуже багато вибухових речовин і різних технічних засобів. З іншого боку, використання великої кількості конденсованих вибухових речовин (КВВ) часто незастосовно за умов щільною забудови будинків та споруд, особливо у городах.

Разработанная на підприємствах військово-промислового комплексу технологія більш економічна й у технічному плані полягає в? м'якому¦ внутрішньому нагружении будівельних конструкций.

Практика показує, що з руйнуванні будівельних конструкцій типу залізобетонних панелей з допомогою традиційних КВВ до прийнятною ступеня роздрібнення (розмір осколків трохи більше 50 див) слушну витрата КВВ становить 0,5?1,0 кг/м3. У цьому маса заряду КВВ в шпуре визначається по формуле:

Q = a H W З (1).

где Q? маса заряду в шпуре, кг; а? відстань між зарядами, м; W? величина опору по підошві, м; H? висота уступу, м; C? удельный витрата КВВ, кг /м3.

При руйнуванні панелей завтовшки 0,25 метрів і відстанню між зарядами у низці 0,32 м маса заряду в шпуре становитиме 0,05 кг.

При розмірі секції панельного будинку у плані 16,0×10,1 метрів і висоті поверху 2,7 м загальне кількість шпурів може становити 1700 при масі КВВ однією секцію до 40 кг.

При виробництві вибухових робіт небезпеку обману покупців, безліч оточуючих об'єктів представлятимуть сейсмічні і ударні хвилі, і навіть розліт шматків бетону і цегли і падіння конструкцій на грунт.

Проведенный аналіз показує, що найбільше обмеження на масу взрываемых зарядів накладає дію ударних повітряних хвиль (УВВ), які виникають при взрыве.

Наиболее слабким конструктивним елементом споруд є засклення. Радіус небезпечної зони дії УВВ на засклення можна визначити по формуле:

(2).

где rв? радіус небезпечної зони, м; Ку? коефіцієнт укриття; Кt? коэффициент уповільнення (у близькій зоні при висадженні з уповільненням 20 мс дорівнює 1,3);

Qв? маса еквівалентного заряду однієї групи, кг. Від вибуху шпуровых зарядов.

Qв = 0,25QКз + Qдш где Q? фактична маса шпуровых зарядів однієї групи, кг; Кз? коефіцієнт забойки; Qдш? маса ВР у магістралі ДШ однієї групи, кг.

При розташуванні зарядів усередині приміщення та його розподілу за обсягом коефіцієнт укриття составит Ку = 0,5.

При розташуванні сусіднього будинку банку по відстані 30 м еквівалентна допустима маса ВР становитиме лише 0,81 кг. Еквівалентна маса ВР одного шпура становить 0,01 кг (Q = 0,05, довжина забойки 0,1 метрів і Кз = 0,37, довжина магістралі ДШ однією шпур lдш= 0,35 м). Отже, допускається підрив одночасно лише 81 шпура загальної еквівалентній масою ВР 4 кг. Це спричиняє необхідності рознесених за часом підривів, що ускладнює схему підриву і найчастіше робить застосування вибухового методу взагалі неприемлемым.

Применение для руйнації конструкцій будинку зарядів ОДС (объемно-детонирующие системи) дозволяє істотно знизити кількість необхідних вибухових веществ.

Известно, що за працездатністю ОДС в 3? 4 разу перевищує КВВ, а разі замкнутого обсягу? до 10 раз. Найкращі результати можна отримати при поєднанні застосування ОДС і КВВ. З допомогою підривів зарядів КВВ виробляється порушення цілісності конструкції, а основна робота з обрушенню будинку виконується з допомогою підриву заряду ОДС.

Расчеты показують, що з руйнації секції панельного вдома, має розміри у плані 16,0×10,1 метрів і висоту поверху 2,7 м, знадобиться трохи більше 0,5 кг такий займистою композиції ОДС, як аэрозин. У цьому кількість який буде необхідний руйнації однієї секції КВВ знижується до 2?3 кг (проти 40 кг КВВ при традиційному способі). Отже, стає можливим застосування вибухового методу навіть за умов щільному застройки.

.

Рис. 1.

Практика показала, що м’яке внутрішнє нагружение разрушаемого будинку не призводить до якомусь пошкодження сусідніх споруд, навіть що у безпосередній наближеності. Присутній при об'ємній вибуху ефект вакуумирования перешкоджає розлітання елементів і панелей будинку, тому уламки будинку займають його початкову площа (рис. 1).

При реалізації запропонованого (вибухового) методу бригада з п’яти підривників забезпечує руйнація п’ятиповерхового панельного будинку у протягом 7?10 днів. Вивезення зруйнованих конструкцій провадиться протягом 14?21 днів (всього 21?31 день). Після знесення будинку замовнику передається майданчик, повністю готова до спорудження нового житла. Термін виконання відновлення всього комплексу робіт 25? 31 день. За наявності кількох будинків, розташованих поруч, загальний термін виконання сохраняется.

При використанні дробильно-сортировочного комплексу прибуток від реалізації вторинних будівельних матеріалів, і навіть від скорочення обсягу перевезень й відсутності плати за звалища становитиме 0,2?0,5 млн. крб. в залежність від якості одержуваних матеріалів, відстані до звалища й низки інших факторов.

Таким чином, вперше пропонується програма робіт з прискореної розбиранні та повної переробці конструкцій будинки з подальшим використанням кінцевий продукт в дорожньому будівництві та виробництві стінових материалов.

2. Застосування об'ємного вибуху зниження грозової активности.

Грозы ставляться до дуже складних та небезпечних явищ природи, від яких регулярність роботи багатьох галузей народного господарства? повітряного транспорту, енергетики, лісового господарства й ін. На жаль, технічний прогрес у цих галузях мало зменшує їх залежність від грозових процесів, тому придушення інтенсивних грозових явищ? надзвичайно актуальна задача.

Отказы у роботі літакових радіонавігаційних систем через поразки блискавкою, котрий іноді більш суттєві ушкодження літальних апаратів, особливо небезпечні під час посадки, є одній з серйозних причин, які змушують літаки підшукувати собі запасні аеродроми, якщо вони може це. Відомо досить багато важких аварій, причиною яких були блискавки. Статистичний аналіз показує, що у середньому становив 2500 льотних годин поршневих літаків чи 10 000 годин реактивних припадає одна випадок влучення молний.

Другая, не менша небезпека? поразка блискавкою наземних об'єктів. Приміром, лише у західних штатах таки США щороку через блискавок утворюється близько 10 000 лісових пожеж, зокрема близько 400 приносять величезний ущерб.

Крупные лінії електропередачі, і електротехнічні системи зазвичай обладнуються грозозащитной, але, тим щонайменше, під час сильних гроз і вони нерідко виявляються виведеними з строя.

Для більш чіткого розуміння складності цієї проблеми коротко зупинимося на основних сучасних поглядах на грозові явления.

Грозовое хмару складається з одній або кількох осередків [1], що є центрами конвективного, осадкообразующей і електричної активності. Горизонтальні розміри осередків можуть змінюватися від 1 до 10 км. Висота грозового хмари перевищує 6?7 км і може становити 14?18 км.

Электрическое будова типового грозового хмари биполярно? основний позитивний і негативний заряди містяться у верхньої та нижньої частинах хмари відповідно. Поблизу підстави хмари під негативним зарядом зазвичай розташовується додатковий позитивного заряду. Залежно та умовами (в частковості, від широти місцевості) можливі різні значення верхнього позитивного й нижнього негативного зарядов.

Электрическое полі хмарах зумовлено розподілом об'ємних зарядів, створюваних усіма носіями зарядів у цьому хмарі. У грозових хмарах відбувається дуже швидке накопичення великих об'ємних зарядів. Середня щільність об'ємного заряду може становити близько (0,3?3)-10−8 Кл/м3, сама ж середня швидкість накопичення зарядів (0,1?10) • Ю-9 Кл/(м3 • з). Області з максимальною щільністю зарядів мають розміри порядку кількох сотень метрів. У цих локальних обсягах хмари створюються умови, сприятливі для ініціювання блискавок. За сучасними уявленнями найчастіше зустрічаються обсяги з максимальною щільністю зарядів (зони неоднорідності) розміром 200?400 м.

Электрическая активність гроз, виражена частотою розрядів блискавок, змінюється в широких межах? від однієї за кілька десятків розрядів на хвилину. Блискавична активність гроз залежить від ж розмірів та кількості грозових ячеек.

Принципиально можливі такі основні шляху придушення грозових явищ. Може бути вжито заходи до того що, щоб розвивається грозове хмару? розрядити¦ на землю на підході до охоронюваному об'єкту, примусивши розряд подолати на штучно створеному шляху, або створити умови для для? короткого замикання¦ всередині хмари, або подати законопроекти до хмару заряд, нейтралізуючий природно утворений, або спробувати зруйнувати хмару, або, нарешті, впливаючи з його хімічний склад, перешкодити розвитку ньому електричних явлений.

Искусственно викликаний розряд хмари на грішну землю реалізовувався практично неодноразово [2]. Відомі досліди, коли час глибинних вибухів у морі, піднімали фонтани води на висоту близько 70 метрів під грозовим хмарою, відбувалися розряди хмар у морі. Також практично було проведено розряди грозових хмар на поверхню землі (моря) з допомогою дроту, яка доставлялася до хмарі ракетою. Зазвичай розряд відбувався, коли ракета піднімалася на висоту порядку 100 м. Цього чинився достатнім, щоб розрядити на грішну землю грозове хмару з висотою нижньої межі десь кілометр. Було також спроби використовувати з метою створення каналу для блискавки пучок протонів, отриманих на синхротроні, а також із допомогою лазерів. Основними вадами зазначених методів є ряд суто технічних трудностей.

Имелись проекти розсіювання в хмарах металевих чи металізованих платівок і ниток, граючих роль провідників короткого замикання і водночас микроразрядников, у яких внаслідок наявності у хмарі власного електричного поля створюється падіння потенціалу, достатні коронного розряду, ослабляющего електричне полі хмари. І тільки технічні і організаційні труднощі при здійсненні подібних дослідів змусили поставити під сумнів їх практичної целесообразности.

Опыты по засеву хмар кристаллизующими реагентами з єдиною метою зміни їх електричного стану показали, що з відповідні умови можна викликати інтенсивну електризацію хмари, і з шляхів управління електричним станом грозових хмар пов’язані з управлінням процесом кристалізації. Але результати подібних впливів поки що недостатньо определены.

В цій роботі зниження грозової активності пропонується використовувати ефект об'ємного вибуху зоні грозових хмар. Для повного розуміння явищ, які протікають в грозовому хмарі у разі підриву у ньому заряду объемно-детонирующей суміші (ОДС), коротко зупинимося на фізичних особливостях процесів всередині зони вибуху ОДС.

Облако продуктів вибуху ОДС є обсяг речовини, нагрітого до температури 3000?4000 До. При таких температурах починається іонізація атомів і молекул, входять до складу хмари. Обсяг газу, розігрітого до таких температур, прийнято називати холодної (низькотемпературної) плазмою, що у цьому випадку енергія, яка припадає однією електрон, набагато меншою енергії зв’язку ядра в атомі. Практично миттєве зміна температури призводить до того, що у плазмі відбувається перерозподіл електричного заряду у сфері продуктів вибуху як і просторі, і у часі. Це з величиною концентрації вільних електронів в плазмі, які виникають під час термічної ионизации.

Теория термічної іонізації Саха дає для повітря з температурою 30 000 До величину концентрації електронів N = 1014 1/м3 (при тиску 1 кгс/см2). Однак це теорія передбачає, що плазма равновесна. Наявність неравновесности можуть призвести перерозподілу просторового заряду. Теорії, якими можна було б розрахувати величину концентрації електронів в нерівновагової плазмі, нині не існує. Тож визначення величини концентрації електронів в плазмовій обсязі, образующемся у разі підриву зарядів з урахуванням ОДС, використали метод, заснований на застосуванні експериментально вимірюваною величини коефіцієнта загасання електромагнітної хвилі, минулої крізь плазму.

На рис. 2 наведено графіки залежностей концентрації електронів щодо різноманітних температур для хмари завтовшки 10 м. Крива 7 розрахована за такою формулою Саха для іонізації повітря при 1 кгс/см2. Крива 3 отримана виходячи з методик [3, 4]. Крива 2 побудовано підставі експериментальних робіт. З результатів можна дійти невтішного висновку, що концентрація вільних електронів в плазмовій хмарі, образующемся вибухом ОДС, становить величину щонайменше 1017 1/м3, і може бути із задовільною ступенем точності визначено теоретично по рівнянням Саха і методикам [3, 4].

Из сказаного вище ясно, що в грозової осередку плазми з такою концентрацією вільних електронів створює сприятливі умови зі зняттям електричного розряду у цій зоні хмарності, отже зниження грозової опасности.

Практически його реалізований з допомогою ракети? Хмару¦. Заряд ОДС масою 2,8 кг розміщається завдяки головній частини ракети. З допомогою локатора МРЛ-5 визначається осередок грозової небезпеки в хмарних скупчення та її координати. У той місце виробляється пуск ракети здійснюється підрив головної частини з допомогою дистанційного тимчасового устрою (піротехнічного типа).

.

2600 2800 3000 Т, К Рис. 2. Залежність концентрації N вільних електронів від температури Т .

Рис. 3. Експериментальна осредненная залежність зміни числа n спалахів блискавки в хвилину від часу під час використання п’яти ракет? Хмару¦ з ОДС.

Экспериментальные роботи показали, що з придушення грозової активності «хмари середніх розмірів потрібно близько 5?6 підривів у ньому зарядів ОДС у складі ракети? Хмару¦. Реєстратор грозової активності показує, що заодно число спалахів блискавок в одиницю часу знижується щонайменше, ніж у 4?5 раз. На рис. 3 в як приклад представлена експериментальна осредненная залежність зміни числа спалахів блискавок на хвилину за часом при застосуванні ракет? Хмару¦ з зарядами ОДС. Вона показує, що грозова активність придушується на період до 30?35 хв. (часом до 55 хв.), після чого хмару відновлює початкову величину частости блискавичних розрядів в одиницю времени.

Положительными сторонами цього методу є також наявність його безпеку для обслуговуючого персоналу (особливо з порівнянню з допомогою авіації), практична можливість застосування за будь-яких умов, наприклад, в гірських регіонах, і відносна дешевизна.

Список литературы

1. Зимін Б. І. Регулювання розвитку грозової активності конвективных хмар при вплив льдообразующими аэрозолями. / Праці ЦАО. Вип. 136. М.: Гидрометеоиздат, 1978. З. 106.

2. Качурин Л. Р. Фізичні основи на атмосферні процеси. Л.; Гидрометиоиздат, 1973. 366 с.

3. Бонд Дж., Вотсон До., Велч Дж. Фізична теорія газової динаміки. Пер. з анг. М.: Світ, 1968. 556 с.

4. Кузнєцов М. М. Термодинамические функції і ударні адиабаты повітря при високих температурах. М.: Машинобудування, 1965. 464 с.

5. Куркулів І.І., Рогів М.К., Ильиничев А.І. Технологія ?м'якого¦ вибуху для руйнації будівельних конструкцій. Конверсія у машинобудуванні. 1996. ¦1.

6. Куркулів І.І., Ильиничев А.І. Новий метод знесення будинків та споруд із допомогою об'ємного вибуху. Конверсія у машинобудуванні. 1996. ¦6.

7. Куркулів І.І., Волков Ю. В., Тараскин А. В. Застосування об'ємного вибуху для розсіювання туманів. Конверсія у машинобудуванні. 1997. ¦2.

8. Куркулів І.І., Рогів М.К., Ильиничев А.І. Захист гідроспоруд від впливу льоду з допомогою підлідних газових зарядів. Конверсія у машинобудуванні. 1996. ¦6.

9. Куркулів І.І., Волков Ю. В., Тараскин А. В. Застосування об'ємного вибуху зниження грозової активності. Конверсія у машинобудуванні. 1998. ¦3.