Використання процесів, притаманних об'ємного вибуху в різних галузях народного господарства.

І. І. Кулаков, член-кореспондент Рара, доктор технічних наук,

А. І. Ільінічев, науковий співробітник

1. Використання об'ємного вибуху для зносу будівель і споруд.

Згідно генеральним планом реконструкції Москви протягом найближчого часу мають бути знесено більше 2000 панельних будинків старої забудови. Аналогічні проблеми стоять перед міською владою інших міст Росії. У зв'язку з цим виникає необхідність у розробці ефективного методу прискореного зносу будівель.

Аналіз існуючих методів руйнування панельних будинків показав, що найбільша поширення має метод послідовної розбирання, за якого конструкція за допомогою баштових кранів та іншої будівельної техніки послідовно розбирається з даху до нижніх поверхів.

Недоліками даного методу є великі терміни виконання робіт (3? 4 місяці), небезпека проведення висотних робіт в умовах порушення конструкційної цілісності будівлі, особливо в зимовий час, використання дорогої техніки та ручної праці, необхідність проведення газозварювальних робіт в закритих приміщеннях, що пов'язано з попаданням в атмосферу шкідливих газів, висока вартість робіт.

Дуже часто, особливо при руйнуванні старих будівель у центральній частині міста, використовується метод простого механічного руйнування будинків із використанням копрів, екскаваторів, а останнім часом і за допомогою спеціальних маніпуляторів. До жаль, застосування такого методу утруднене при руйнуванні будинків висотою більше 20 м, а також що мають жорсткий каркас (панельні будинки). Однак даний метод може бути вдосконалений за рахунок застосування технології? стягується петлі |. При цьому будинок охоплюється петлею з особливо міцних тросів, які потім за допомогою трьох-чотирьох бульдозерів (в залежності від міцності панелей) затягуються, що призводить до руйнування конструкцій і обвалення будівлі.

На базі останніх досягнень фізики вибуху розроблена і застосовується на практиці нова технологія руйнування будівель за допомогою об'ємного (вакуумного) вибуху. Сутність даного методу полягає в спеціально організованому процесі, що включає:

? руйнування несучих конструкцій будинку вибухом, при цьому забезпечується дроблення панелей і інших елементів на частини;

? прибирання і вивезення залишків будівлі, переробку їх на дробильно-сортувальному комплексі (до 800 т залізобетонних уламків за зміну);

? використання кінцевого продукту в дорожньому будівництві і виробництві стінових матеріалів.

Будівельні конструкції досить важко піддаються швидкого руйнування внаслідок їх армування, пружності та інших факторів. У зв'язку з цим для їх руйнування традиційними вибуховими методами потрібні великі матеріальні та людські витрати, велику кількість вибухових речовин і різних технічних засобів. Крім того, використання великої кількості конденсованих вибухових речовин (КВВ) часто застосовується в умовах щільної забудови будівель і споруд, особливо в містах.

Розроблена на підприємствах військово-промислового комплексу технологія істотно більше економічна і в технічному плані заснована на "м'якому | внутрішньому навантаженні будівельних конструкцій.

Практика показує, що при руйнуванні будівельних конструкцій типу залізобетонних панелей за допомогою традиційних КВВ до прийнятної ступеня дроблення (розмір осколків не більше 50 см) ділову витрата КВВ складає 0,5? 1,0 кг/м3. При цьому маса заряду КВВ в шпурі визначається за формулою:

Q = a H W C (1)

де Q? маса заряду в шпурі, кг; а? відстань між зарядами, м; W? величина опору по підошві, м; H? висота уступу, м; C? питома витрата КВВ, кг/м 3.

При руйнуванні панелей товщиною 0,25 м і відстанню між зарядами в ряду 0,32 м маса заряду в шпурі складе 0,05 кг.

При розмірі секції панельного будинку в плані 16,0 х 10,1 м і висоті поверху 2,7 м загальна кількість шпурів може досягати 1700 при масі КВВ на одну секцію до 40 кг.

При виробництві вибухових робіт небезпеку для людей і навколишніх об'єктів будуть представляти сейсмічні та ударні хвилі, а також розліт шматків бетону та цегли і падіння конструкцій на грунт.

Проведений аналіз показує, що найбільша обмеження на масу вибухає зарядів накладає дію ударних повітряних хвиль (УВВ), що утворюються при вибуху.

Найбільш слабким конструктивним елементом споруд є скління. Радіус небезпечної зони дії УВВ на скління можна визначити за формулою:

(2)

де rв ? радіус небезпечної зони, м; Ку? коефіцієнт укриття; КT? коефіцієнт уповільнення (в близькій зоні при підриванні з уповільненням 20 мс дорівнює 1,3);

Qв? маса еквівалентного заряду однієї групи, кг. Під час вибуху зарядів

Qв = 0,25 QКз + Qдш

де Q? фактична маса зарядів однієї групи, кг; Кз? коефіцієнт набійки; Qдш? маса ВВ в магістралі ДШ однієї групи, кг.

При розташуванні зарядів всередині будівлі та їх розподілу за обсягом коефіцієнт укриття складе

Ку = 0,5

При розташуванні сусіднього будинку на відстані 30 м еквівалентна допустима маса ВВ складе лише 0,81 кг. Еквівалентна маса ВВ одного шпуру становить 0,01 кг (Q = 0,05, довжина набійки 0,1 м і Кз = 0,37, довжина магістралі ДШ на один шпуру lдш = 0,35 м). Отже, допускається підрив одночасно тільки 81 шпуру загальною еквівалентною масою ВВ 4 кг. Це призводить до необхідності рознесених за часом підривів, що значно ускладнює схему підриву і часто робить застосування вибухового методу взагалі неприйнятним.

Застосування для руйнування конструкцій будівлі зарядів ОДС (об'ємно-детонуючий системи) дозволяє істотно знизити кількість необхідних вибухових речовин.

Відомо, що по працездатності ОДС в 3? 4 рази перевищує КВВ, а у випадку замкнутого обсягу? до 10 разів. Найкращі результати можуть бути отримані при поєднанні застосування ОДС і КВВ. За допомогою підривів зарядів КВВ проводиться порушення цілісності конструкції, а основна робота з обвалення будівлі виконується з допомогою підриву заряду ОДС.

Розрахунки показують, що для руйнування секції панельного будинку, що має розміри в плані 16,0 х 10,1 м і висоту поверху 2,7 м, буде потрібно не більше 0,5 кг такої горючої композиції ОДС, як аерозін. При цьому кількість необхідного для руйнування однієї секції КВВ знижується до 2? 3 кг (проти 40 кг КВВ при традиційному способі). Таким чином, стає можливим застосування вибухового методу навіть в умовах дуже щільної забудови.

Рис.1

Практика показала, що м'яке внутрішнє навантаження руйнується будівлі не призводить до якому-небудь пошкодження сусідніх споруд, що знаходяться навіть в безпосередній близькості. Присутній при об'ємному вибуху ефект вакуумування перешкоджає розльоту елементів і панелей будівлі, тому уламки будівлі займають його первісну площа (рис. 1).

При реалізації пропонованого (вибухового) методу бригада з п'яти підривників забезпечує руйнування п'ятиповерхового панельного будинку протягом 7? 10 днів. Вивіз зруйнованих конструкцій здійснюється протягом 14? 21 днів (усього 21? 31 день). Після зносу будівлі замовнику передається майданчик, повністю готова до будівництва нового житла. Термін виконання всього комплексу робіт 25? 31 день. За наявності декількох будинків, розташованих поруч, загальний термін виконання робіт зберігається.

При використанні дробильно-сортувального комплексу виручка від реалізації вторинних будівельних матеріалів, а також економія від скорочення обсягу перевезень і відсутність плати за утримання звалища становитиме 0,2? 0,5 млн. руб. в залежно від якості одержуваних матеріалів, відстані до звалища і ряду інших факторів.

Таким чином, вперше пропонується програма робіт за прискореною розбирання та повної переробки конструкцій будинку з подальшим використанням кінцевого продукту в дорожньому будівництві і виробництві стінових матеріалів.

2. Застосування об'ємного вибуху для зниження грозовий активності.

Грози відносяться до числа дуже складних і небезпечних явищ природи, від яких залежить регулярність роботи багатьох галузей народного господарства? повітряного транспорту, енергетики, лісового господарства та ін На жаль, технічний прогрес у цих галузях практично не зменшує їхньої залежності від грозових процесів, тому придушення інтенсивних грозових явищ? надзвичайно актуальна завдання.

Відмови в роботі літакових радіонавігаційних систем через ураження блискавкою, а іноді і більше істотні пошкодження літальних апаратів, особливо небезпечні при посадці, є однією із серйозних причин, які змушують літаки йти на запасні аеродроми, якщо вони ще в змозі це зробити. Відомо досить багато важких аварій, причиною яких були блискавки. Статистичний аналіз показує, що в середньому на 2500 льотних годин поршневих літаків або на 10000 годин реактивних припадає один випадок влучення блискавок.

Інша, не менша небезпека? ураження блискавкою наземних об'єктів. Так, наприклад, тільки в західних штатах США щорічно через блискавок виникає близько 10000 лісових пожеж, у тому числі близько 400 приносять величезні збитки.

Великі лінії електропередачі та електротехнічні системи звичайно мають грозозахисних, але, тим не менше, під час сильних гроз і вони нерідко виявляються виведеними з ладу.

Для більш виразного розуміння складності даної проблеми коротко зупинимося на основних сучасні погляди на грозові явища.

грозові хмари складається з однієї або декількох комірок [1], які є центрами конвективної, осадкообразующей та електричної активності. Горизонтальні розміри комірок можуть змінюватися від 1 до 10 км. Висота грозового хмари перевищує 6? 7 км і може досягати 14? 18 км.

Електричне будову типового грозового хмари біполярно? основний позитивний і негативний заряди розташовуються у верхній і нижній частинах хмари відповідно. Поблизу підстави хмари під негативним зарядом зазвичай розташовується додатковий позитивний заряд. У залежності від умов (в Зокрема, від широти місцевості) можливі різні значення верхнього позитивного і нижнього негативного зарядів.

Електричне поле в хмарах обумовлено розподілом об'ємних зарядів, які створюються всіма носіями зарядів у даному хмарі. У грозових хмарах відбувається вельми швидке накопичення великих об'ємних зарядів. Середня щільність об'ємного заряду може становити порядку (0,3? 3) -10-8 Кл/м3, а середня швидкість накопичення зарядів (0,1? 10) • Ю-9 Кл/(м3 • с). Області з максимальною щільністю зарядів мають розміри порядку кількох сотень метрів. У таких локальних обсягах хмари створюються умови, сприятливі для ініціювання блискавок. За сучасними уявленнями найбільш часто зустрічаються обсяги з максимальною щільністю зарядів (зони неоднорідності) розміром 200? 400 м.

Електрична активність гроз, виражена частотою розрядів блискавок, змінюється в широких межах? від одного до декількох десятків розрядів в хвилину. Молніевая активність гроз залежить від розмірів та кількості грозових осередків.

Принципово можливі наступні основні шляхи придушення грозових явищ. Можуть бути вжито заходів до того, щоб розвивається грозове хмара? розрядити | на землю до підходу до об'єкті, що охороняється, змусивши розряд пройти по штучно створеному шляху, або створити умови для? короткого замикання | всередині хмари, або подати у хмара заряд, що нейтралізує природно що утворюється, або спробувати зруйнувати хмара, або, нарешті, впливаючи на його хімічний склад, перешкодити розвитку в ній електричних явищ.

Штучно викликаний розряд хмари на землю реалізовувався практично неодноразово [2]. Відомі досліди, коли в результаті глибинних вибухів в море, що піднімали фонтани води на висоту близько 70 метрів під грозовим хмарою, відбувалися розряди хмар в море. Також практично були проведені розряди грозових хмар на поверхню землі (моря) за допомогою дроту, яка доставлялася до хмари ракетою. Зазвичай розряд відбувався, коли ракета піднімався на висоту близько 100 м. Цього було достатньо, щоб розрядити на землю грозове хмара з висотою нижньої межі близько кілометра. Були також спроби використати з метою створення каналу для блискавки пучок протонів, отриманих на синхротрон, а також за допомогою лазерів. Основними недоліками зазначених методів є ряд чисто технічних труднощів.

Були проекти розсіювання в хмарах металевих або металізованих платівок і ниток, що грають роль провідників короткого замикання і одночасно мікроразрядніков, на яких внаслідок наявності в хмарі власного електричного поля створюється падіння потенціалу, достатню для коронного розряду, послабляє електричне поле хмари. І лише тільки технічні і організаційні труднощі при здійсненні подібних дослідів змусили засумніватися в їх практичної доцільності.

Досліди по засіву хмар кристалізуючим реагентами з метою зміни їх електричного стану показали, що при відповідних умовах можна викликати інтенсивну електризацію хмари, і один із шляхів управління електричним станом грозових хмар пов'язаний з управлінням процесом кристалізації. Але результати подібних дій поки недостатньо визначені.

У даній роботі для зниження грозовий активності пропонується використовувати ефект об'ємного вибуху в зоні грозових хмар. Для більш повного розуміння явищ, протікають у грозовий хмарі при підриві в ньому заряду об'ємно-детонуючий суміші (ОДС), коротко зупинимося на фізичних особливості процесів всередині зони вибуху ОДС.

Хмара продуктів вибуху ОДС являє собою об'єм речовини, нагрітого до температури 3000? 4000 К. При таких температурах починається іонізація атомів і молекул, що входять до складу хмари. Обсяг газу, розігрітого до таких температур, прийнято називати холодної (низькотемпературної) плазмою, оскільки в цьому випадку енергія, що припадає на один електрон, багато менше енергії зв'язку ядра в атомі. Практично миттєве зміна температури призводить до того, що в плазмі відбувається перерозподіл електричного заряду в області продуктів вибуху як у просторі, так і в часі. Це пов'язано з величиною концентрації вільних електронів в плазмі, що утворюються під час термічної іонізації.

Теорія термічної іонізації Саха дає для повітря з температурою 30000 До величину концентрації електронів N = 1014 1/м3 (при тиску 1 кгс/см2). Однак ця теорія припускає, що плазма рівноважних. Наявність нерівноважності може призвести до перерозподілу просторового заряду. Теорії, за якою можна було б розрахувати величину концентрації електронів в нерівноважної плазмі, в даний час не існує. Тому для визначення величини концентрації електронів у плазмовому обсязі, що утворюється при підриві зарядів на основі ОДС, був використаний метод, заснований на застосуванні експериментально вимірюваної величини коефіцієнта затухання електромагнітної хвилі, що пройшла крізь плазму.

На рис. 2 наведені графіки залежностей концентрації електронів для різних температур для хмари товщиною 10 м. Крива 7 розрахована за формулою Саха для іонізації повітря при 1 кгс/см2. Крива 3 отримана на підставі методик [3, 4]. Крива 2 побудована на підставі експериментальних робіт. З наведених результатів можна зробити висновок, що концентрація вільних електронів у плазмовому хмарі, що утворюється під час вибуху ОДС, становить величину не менш 1017 1/м3, і може бути з задовільною ступенем точності визначена теоретично по рівнянь Саха та методиками [3, 4].

Зі сказаного вище ясно, що поява в грозовий комірці плазми з такою концентрацією вільних електронів створює сприятливі умови для зняття електричного розряду в даній зоні хмарності, а отже для зниження грозовий небезпеки.

Практично цей метод реалізований з використанням ракети? Хмара |. Заряд ОДС масою 2,8 кг розміщується в головній частині ракети. За допомогою локатора МРЛ-5 визначається вогнище грозовий небезпеки в хмарних скупченнях і його координати. У це місце проводиться пуск ракети і здійснюється підрив головної частини за допомогою дистанційного тимчасово?? про пристрої (піротехнічного типу).

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 при використанні п'яти ракет? Хмара | с ОДС.

Експериментальні роботи показали, що для придушення грозовий активності 'хмари середніх розмірів потрібно близько 5? 6 підривів в ньому зарядів ОДС у складі ракети ? Хмара |. Реєстратор грозовий активності показує, що при цьому число спалахів блискавок в одиницю часу знижується не менше, ніж у 4? 5 разів. На рис. 3 в Як приклад представлена експериментальна осредненная залежність зміни числа спалахів блискавок в хвилину по часу при застосуванні ракет ? Хмара | с зарядами ОДС. Вона показує, що грозова активність пригнічується на період до 30? 35 хв. (у ряді випадків до 55 хв.), після чого хмара відновлює початкову величину частості молніевих розрядів в одиницю часу.

Позитивними сторонами даного методу є також його безпека для обслуговуючого персоналу (особливо в порівнянні з використанням авіації), практична можливість застосування в будь-яких умовах, наприклад, в гірських регіонах, і відносна дешевизна.

Список літератури

1. Зімін Б. І. Регулювання розвитку грозовий активності конвективних хмар при дії льдообразующімі аерозолями./Праці ЦАО. Вип. 136. М.: Гидрометеоиздат, 1978. С. 106.

2. Качурин Л. Г. Фізичні основи впливу на атмосферні процеси. Л.; Гідрометіоіздат, 1973. 366 с.

3. Бонд Дж., Уотсон К., Уелч Дж. Фізична теорія газової динаміки. Пер. с анг. М.: Мир, 1968. 556 с.

4. Кузнецов Н. М. Термодинамічні функції та ударні адіабати повітря при високих температурах. М.: Машиностроение, 1965. 464 с.

5. Кулаков І.І., Рогов Н.К., Ільінічев А.І. Технологія? М'якого | вибуху для руйнування будівельних конструкцій. Конверсія в машинобудуванні. 1996. | 1

6. Кулаков І.І., Ільінічев А.І. Новий метод зносу будівель та споруд за допомогою об'ємного вибуху. Конверсія в машинобудуванні. 1996. | 6

7. Кулаков І.І., Волков Ю.В., Тараскін А.В. Застосування об'ємного вибуху для розсіювання туманів. Конверсія в машинобудуванні. 1997. | 2

8. Кулаков І.І., Рогов Н.К., Ільінічев А.І. Захист гідроспоруд від дії льоду з допомогою підлідний газових набоїв. Конверсія в машинобудуванні. 1996. | 6

9. Кулаков І.І., Волков Ю.В., Тараскін А.В. Застосування об'ємного вибуху для зниження грозовий активності. Конверсія в машинобудуванні. 1998. | 3