Газогенератор давления шпуровой - сейсмобезопасная экологичная технология демонтажа

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Одна из наиболее трудоемких и долгосрочных стадий ведения строительных работ в условиях плотной застройки - это демонтаж железобетонных конструкций, подлежащих разборке. Связано это с тем, что при наиболее производительном методе ведения таких работ - буровзрывном - требуется полностью исключить негативное влияние на окружающую среду как ударных воздушной и сейсмической волн, токсичных продуктов детонации, так и разлета осколков демонтируемого объекта. Если с осколками и воздушной ударной волной успешно справляются с помощью комплекса защитных мер (зачастую достаточно трудоемких и дорогостоящих), то с сейсмическим воздействием бороться гораздо труднее. Это весьма ограниченный перечень возможных приемов - уменьшение зарядов при сгущении сетки бурения, применение короткозамедленного взрывания (с замедлением более 20 мс), выполнение отрезных щелей, пузырьковая защита при подводных взрывах.

Поскольку этими приемами возможные защитные меры исчерпываются, то актуальным является поиск высокоэнергетических составов, обладающих достаточным газовыделением при низкой токсичности продуктов разложения и отсутствии бризантносги благодаря исключению перехода реакции горения в детонационный режим, служащий причиной образования сейсмических волн. Для обеспечения перспектив в условиях рынка, такие составы должны быть абсолютно безопасны при хранении и перевозках, а также иметь возможность некоторого оперативного регулирования энерговыделения в зависимости от задачи во время подготовки к работе непосредственно в местах выполнения работ. Устройство, разработанное нами ранее [1] и отвечающее этим требованиям, было названо "газогенератор давления шпуровой (ГДШ)".

Целью работы стало усовершенствование состава, конструкции и технологии применения ГДШ для использования на особо ответственных объектах при жестких требованиях к сейсмическому воздействию на окружающую обстановку.

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

В результате проведенных исследований и натурных испытаний был выбран базовый состав на основе подвергнутого специальной обработке NaС1Oз с технологическими и каталитическими добавками, который снаряжался в трудносгораемые пеналы и, являясь по своей сути окислительной композицией, заправлялся жидким горючим непосредственно перед заряжанием. Причем концентрация горючего, выбор параметров плотности заряжания в шпуре, а также типа забойки и инициирования определяли характер дезинтеграции преграды и интенсивность сейсмического воздействия на окружающую среду. Сравнение различных вариантов проводилось по степени дезинтеграции близких по прочностным и геометрическим параметрам бетонных объектов, а также по воздействию на внешнюю среду, в первую очередь, сейсмическому. Под степенью дезинтеграции понималась суммарная, вновь образованная при разломе, поверхность, приходящаяся на один заряд ГДШ.

Следует сразу же заметить, что сейсмические проявления не свойственны ГДШ. Если для традиционных взрывчатых материалов сейсмическое проявление вызывается ударной волной в преграде от детонации заряда и воздушной ударной волной, воздействующей на почву и конструкции, то при сгорании состава ГДШ осуществляется безударное, квазистатическое разрывное воздействие на преграду. В этом случае сейсмические проявления могут вызываться реактивным толчком в преграде при резком отделении ее частей и, отчасти, воздействием вырывающихся из разлома сжатых продуктов сгорания на почву, причем реактивный толчок при разрушении железобетонных конструкция зачастую нивелируется обратным рывком за счет торможения отколотых фрагментов, остающихся на арматурном каркасе, который вследствие отсутствия бризантного действия ГДШ создает эффект "дульного тормоза". Является также возможной и усиленная зарядка ГДШ, позволяющая срывать фрагменты бетона с арматурного каркаса или отрывать их вместе с арматурой. Поэтому предварительные сравнительные испытания проводились на бетонных модельных конструкциях без арматуры. Измерения проводились совместно с сотрудниками Российского федерального ядерного центра - Всероссийского научно- исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ г. Саров). При этом для измерения профиля давления воздушной ударной волны, ускорений, скоростей и перемещений на грунте и в окружающих конструкциях использовались датчики давления и пьезоакселерометры, внесенные в Госреестр средств измерения, и методики, прошедшие метрологическую аттестацию и также внесенные в Госреестр.

Первоначально производилась оптимизация самого газогенерирующего состава по критерию "качество дезинтеграции/минимальное сейсмическое воздействие" (КД/МС). Было выяснено влияние дисперсности окислителя, наличия различных добавок в окислительной смеси и горючем, свойств жидкого горючего и соотношения окислитель - горючее. В результате экспериментов было показано, что оптимальная средняя дисперсность порошка окислителя находится в диапазоне 200-250 мкм.

В качестве горючего испытывались жидкие углеводороды: керосин, дизельное топливо (летнее и зимнее), газовый конденсат, вторичные индустриальное и растительное масла, а также КЩ-диметилформамид и некоторые смеси отдельных пар горючих. Для сравнимости все составы испытывались при одном (стехиометрическом) соотношении окислитель-горючее. Установлено, что наилучшее качество дезинтеграции железобетонных моделей обеспечивают смеси 50/50 N,N-диметилформамида с газовым конденсатом или керосином. Составы с вторичными индустриальными маслами и их смесями показали нестабильные результаты, правда, зачастую высокие. Связано это, повидимому, с тем, что состав примесей к таким маслам непостоянен, может включать в себя химически активные примеси, способствующие разложению окислителя. В связи с этим применение подобного горючего не рекомендуется. Наилучшие результаты по минимуму сейсмических про-явлений показали составы на основе отработанных фритюрных растительных масел с зимним дизельным топливом, имеющие, к тому же, наименьшее содержание вредных примесей в продуктах горения. В качестве лучших по соотношению обоих исследуемых параметров были выделены смеси газового конденсата или керосина с отработанными фритюрными растительными жирами.

На составах с оптимизированной дисперсностью окислителя и выбранной в качестве лучшей горючей топливной смесью проводилась оптимизация соотношения окислитель-горючее. Ранее влияние этого соотношения на степень дезинтеграции бетона нами исследовалось [2], но горючее использовалось другое, и не рассматривалось влияние соотношения на степень сейсмических проявлений при дезинтеграции. Из литературы известен прием снижения сейсмичности заряда простейшего ВВ - игданита - путем уменьшения количества дизельного топлива [3]. В результате испытаний, сначала субъективно, а затем и инструментально, было выяснено следующее. Если наилучшее качество дезинтеграции наблюдалось при содержании горючего в смеси 6,5-7,5% (несколько выше, чем в работе [2], что объясняется, видимо, частичной окисленностью применяемого горючего), то сейсмическое воздействие снижалось с увеличением содержания горючего с замедлением в районе 11-12%. В качестве компромиссного значения содержания горючего было выбрано значение 9-10%. Очевиден иной механизм влияния содержания горючего на сейсмичность, нежели в игданите. Если при детонации снижение содержания горючего приводит к соответствующему снижению энерговыделения, скорости детонации и, соответственно, интенсивности ударной волны, то при горении наших смесей это вызывает повышение пористости системы и увеличение скорости горения, что усиливает динамическое воздействие на окружающую среду. При этом снижение идеального давления сгорания композиции компенсируется повышенной динамикой процесса и увеличением, в следствие этого, "реализации" энергии горения.

Далее на выбранном составе отрабатывалось влияние различных добавок в окислительную смесь и горючее на исследуемый критерий КД/МС.

Поскольку количественное содержание каталитических добавок в окислительной смеси ограничивается недопустимостью приобретения смесью способности к само- поддерживающейся реакции разложения на открытой поверхности при воздействии теплового импульса, то поиск ограничивался эффективными в малых количествах и, по возможности, малогорючими добавками. В качестве таковых рассматривались кумаронинденовая смола, аэросил А-300, ферроцианид железа Fe4[Fe(CN)6]3, полуводный сульфат кальция CaSO4*0,5H2O и некоторые другие добавки. Наиболее эффективной была признана добавка в количестве 0,6-0,8 % смеси ферроцианида железа Fe4[Fe(CN)6]3 с полуводным сульфатом кальция CaSO4*0,5H2O в качестве стабилизатора в соотношении 1:10. Остальные исследуемые добавки были либо более горючи (образовывали при незначительном содержании смеси с возможностью самоподдерживающейся реакции разложения), либо менее эффективны, либо нетехнологичны с точки зрения гомогенизации в смеси. Последнее качество является весьма важным с точки зрения безопасности - неравномерное распределение горючих каталитических добавок вызывает появление локальных областей с повышенным, и, следовательно, опасным их содержанием. Выбранная смесь добавок обладает высокой технологичностью, эффективностью (повышение скорости горения и качества дезинтеграции) и безопасностью. Далее изучалось действие добавления различных реагентов в топливную смесь. Круг исследуемых веществ ограничивался растворимостью реагентов в выбранной ранее топливной смеси и стабильностью получающейся пиротехнической смеси. В качестве добавок испытывались ферроцен, ферроценовое масло, децилтриметиламмонийнитрат (ДТМАН - в качестве смачивателя, улучшающего качество распределения топлива в окислителе), глицериновый эфир канифоли, кумаронинденовая смола, некоторые другие вещества. Наиболее эффективными катализаторами показали себя ферроценовое масло, глицериновый эфир канифоли и, особенно, ДТМАН. Но последняя добавка была отвергнута из-за потери готовым составом химической стабильности - уже при непродолжительном хранении (в течение дня) при комнатной температуре появлялся заметный резкий запах. Поэтому в качестве оптимальной добавки в топливную смесь было выбрано ферроценовое масло в количестве 6-8%. Эта добавка обладает наилучшей эффективностью (повышение скорости горения и качества дезинтеграции).

После окончательного выбора дисперсности и состава окислительной смеси, соотношения между окислительной смесью и горючим и состава топливной смеси нами был исследован вопрос влияния плотности заряжания и соотношения длины заряда ГДШ к его диаметру на исследуемые параметры КД/МС. Для снижения влияния качества забойки ГДШ в шпуре на результат испытания проводились с использованием длинных шпуров, тщательной забивкой и размещением в начале забойки герметизирующей резиновой шайбы-пыжа. Влияние плотности заряжания в исследованном диапазоне 0,2-1,6 г/см3 на качество дезинтеграции проявилось в монотонном улучшении качества с ростом плотности заряжания. Очевидно, это связано с увеличением скорости нарастания давления и синхронности работы отдельных газогенераторов. Однако, при высокой плотности заряжания возникал эффект избыточного сейсмического воздействия на окружающую среду. Видимо, при столь быстром нарастании скорости горения давление продуктов сгорания успевает многократно превысить прочность бетона на разрыв, прежде чем в блоке, удерживаемом силами инерции, разовьются трещины достаточного для резкого сброса давления и спада скорости горения сечения. В то же время, разбрасывание фрагментов бетонного блока было заметно сильнее при малых плотностях заряжания, что, возможно, объясняется значительно большей площадью давления газов на откалываемый фрагмент при более медленном спаде давления. Кроме того, при малых плотностях заряжания наблюдалась асинхронность сгорания отдельных ГДШ, приводящая к "выпадению" их вклада из общего процесса дезинтеграции. В результате оптимальной была выбрана плотность заряжания 1,1-1,3 кг/м3. При такой плотности заряжания был изучен вопрос влияния соотношения длины ГДШ к его диаметру (внутреннему диаметру пенала со смесью). Это соотношение изменялось от 1,5 до 20. Оптимальным соотношением оказалось L/d=2-3. Предположительно, сильный форс пламени электропускового элемента создает на такую глубину зону (канал) воспламенения, целиком поглощающую энергию электропускателя, и суммарное время сгорания оказывается наименьшим. Но выдерживать такое соотношение на практике для всех типоразмеров газогенераторов весьма затруднительно, поскольку требует бурения шпуров разных диаметров для ГДШ с различными навесками. Однако, в пределах разумного, этот результат испытаний можно использовать, применяя вместо газогенераторов с большей навеской пеналы с меньшими номиналами несколько меньшей суммарной массы, и с параметром L/d близким к оптимальному (для ГДШ серии 32 - под шпуры 32 мм - это патрон ГДШ- 25-32 длиной около 50 мм).

Крайне важным аспектом в практике применения ГДШ является конструкция и качественные параметры забойки. В отличие от традиционных взрывчатых материалов, заряды которых могут детонировать как в шпуре с забойкой, так и на открытой поверхности (за исключением некоторых простейших ВВ в зарядах малого диаметра), в ГДШ развивается штатный режим высокоскоростного горения только в условиях герметично запертого шпура с плотной протрамбовкой забойки. И забойка удерживает сравнительно медленно нарастающее давление продуктов сгорания не столько своей массой, сколько прочностью сцепления со стенками шпура. Кроме того, большое значение имеет герметичность (газопроницаемость) самих стенок шпура, т.к. их высокая пористость (кирпичная кладка, ракушечник, доломит и т.д.) приводит к заметной газовой фильтрации в стенки, что негативно сказывается на скорость горения, особенно на начальной стадии процесса, а также снижает максимум достигаемого в шпурах давления. Это обстоятельство приводит к разновременности срабатывания ГДШ и ухудшению качества дезинтеграции. В этом направлении на¬ми исследовалась как конструктивная возможность улучшения запирания и герметизации шпурового пространства, так и герметизация стенок шпура различными со¬ставами. В качестве забоечного материала лучшими материалами оказались отсев гранитный фракции 0-5 мм и песок карьерный крупный. Улучшенной герметизации можно добиться, раздавливая в начале забойки глиняный пыж, а затем уже утрамбовывая забойку из отсева или песка. При использовании ГДШ для дезинтеграции бе-тонных или ж/бетонных конструкций небольших поперечных размеров встает вопрос надежного запирания газов в коротких шпурах. В этом случае сцепления забойки со стенками шпура на коротком участке может оказаться недостаточно, вследствие чего происходят прострелы. Для решения этой проблемы нами испытывались расширяющиеся цементные смеси (РЦС) и анкерное запирание устья шпура. РЦС показали свою пригодность в шпурах глубиной (до патрона ГДШ) не менее 0,5 - 0,6 м. В более коротких шпурах даже при длительной выдержке (более суток) для набора цементом прочности цементная "пробка" не имела достаточного сцепления со стенками шпура и "выстреливалась" при срабатывании ГДШ. Для этого случая была разработана анкерная конструкция запирания шпура. Рассматривались варианты лепесткового распирающегося анкера, одинарного механического клина и системы заклинивания из двух встречных клиньев - "распиленный" пополам наискосок цилиндр. Во всех случаях сначала шпур закупоривался плотно утрамбованным песком, затем устье запиралось анкером той или иной конструкции. Все конструкции предусматривали как выпуск на поверхность контактных проводов от электропускателя ГДШ, так и гибкое крепление анкерных устройств на тросе с целью их улавливания после раскола бетонного элемента. Сравнительные испытания этих конструкций позволили прийти к следующим выводам - наилучшим запирающим устройством является система из клиновидных полуцилиндров с рифленой наружной поверхностью, обеспечивающая увеличение распорного усилия при воздействии давления газов через короткую песчаную забойку. Простой клин, забиваемый по центру шпура в забойку, в этих условиях показывал нестабильные результаты (возможно, из-за сложности точной соосной фиксации в шпуре при забивании). Лепестковый распорный анкер хорошо держит статическую нагрузку, но при динамическом воздействии через забойку после небольшого сдвига вдоль стенок шпура перестает удерживать забойку и "выстреливается".

Для решения проблемы газопотерь через стенки шпура при высокой пористости разрушаемого объекта нами испытывались различные тиксотропные и загущенные среды. В частности, в шпур в области размещения патрона ГДШ заливалось необходимое количество раствора бентонита, каолина, оксиэтилцеллюлозы или полиакриламида в воде, а также смесь жидкого стекла с песком, загущенная уксусной кислотой. Эти среды выполняли задачу закупоривания пор в стенках шпура, а сверху утрамбовывалась обычная песчаная забойка. Наилучшие результаты по герметизации стенок шпура (выражающиеся в большей степени дезинтеграции, отсутствии "камуфлетных" сгораний ГДШ, показали раствор оксиэтилцеллюлозы и смесь жидкого стекла с песком, подкисленная уксусной кислотой. Причем раствор оксиэтилцеллюлозы при этом еще поглощал значительное количество конденсирующихся продуктов сгорания (NaCl), что выражалось в заметном снижении интенсивности аэрозольного солевого облака при раскалывании бетонных образцов. Очевидно, густая тиксотропная система, образуемая этим раствором, плотно закрывала поры стенок шпура, препятствуя первоначальному просачиванию продуктов сгорания. При резком же нарастании давления и продавливании раствора в образующиеся трещины система теряла свою структуру, резко снижала вязкость и диспергировалась в среде прорывающихся газов, охлаждая их и адсорбируя высококипящие компоненты, в частности, NaCl и незначительные примеси от добавок в окислительной смеси.

Аналогичные тиксотропные системы, только образующиеся непосредственно в шпурах, испытывались нами в целях упрощения и ускорения зарядки ГДШ в обводненные вертикальные шпуры. Дело в том, что запирание ГДШ в обводненных по тем или иным причинам шпурах весьма затруднено. Обычная песчаная или из отсева забойка образует с водой несжимаемую жидкую смесь, которую невозможно плотно утрамбовать, что приводит к "прострелам" ГДШ. Продувка шпуров перед зарядкой не всегда полностью решает проблему (во время ливня или при наличии рыхлых трещин в обводненном массиве). Поэтому нами испытывался вариант зарядки ГДШ в воду с применением пробки, образующейся прямо в шпуре на поверхности воды. В обводненные наполовину или менее шпуры засыпалась в необходимом количестве сухая смесь различного состава. После некоторой, определяемой экспериментально, выдержки на поверхности образовавшейся пробки размещался патрон ГДШ, засыпавшийся дополнительно некоторым количеством загущающей смеси, а затем зарядка и забойка шпура продолжалась обычным порядком (при глубинах шпуров более 1,5-2 метров в шпуре обычно размещаются более одного патрона ГДШ). Такая схема зарядки ГДШ показала очень неплохие результаты - при срабатывании ГДШ под действием динамического давления газов тиксотропная пробка теряла структуру, давление передавалось через малосжимаемую водную среду на весь нижележащий объем шпура, происходил раскол каменного монолита. Также положительные результаты были получены и при дезинтеграции бетона с помощью "воднозагущенной" схемы зарядки. При этом появилась возможность снизить удельный заряд ГДШ за счет уменьшения потерь работы газов на фильтрацию в стенки шпура и забойку и повышения равномерности давления по длине шпура. Кроме того, было отмечено снижение уровня сейсмичности за счет уменьшения общего количества газов и потерь их работы на диспергирование и разогрев воднозагущенной забойки. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании высоко дисперсной смеси карбоксиметилцеллюлозы, полиакриламида или оксиэтилцеллюлозы с бентонитом или каолином и мелким сухим песком. Пробка из таких смесей проникала на достаточную глубину под зеркало воды в шпуре за счет плотного песка, достаточно быстро "фиксировалась" на поверхности водяного столба бентонитом или каолином, и в течение 0,5-1 часа приобретала тиксотропную структуру за счет водорастворимых полимеров. Дополнительным положительным эффектом являлась вышеупомянутая адсорбция продуктов горения.

Полученные результаты использовались нами при дезинтеграционных работах под водой - разрушении валунов в фарватере Выборгского морского порта. При этом, помимо описанных выше модификаций состава и конструкции ГДШ, схемы их размещения и забойки в шпурах, нами испытывались особые схемы многоточечного запуска "усиленных" ГДШ длиной до 500 мм и диаметром 40 мм. Использовалось в таких конструкциях заряда до семи электропускателей. При сравнении различных схем размещения пускателей в заряде наилучшую эффективность показало линейное размещение "гирляндой" по оси патрона. Такая конструкция заряда обеспечила при достаточно высокой эффективности минимальные сейсмическое и ударногидравлическое воздействия на ихтиофауну, что в период нереста рыбы было непременным условием Россельхознадзора. При точечном размещении пускателей в середине либо конце заряда качество дезинтеграции было менее стабильным (хотя порой и более высоким), зато сейсмический и ударногидравлический эффекты были значительно сильнее. Для запирания зарядов ГДШ использовались клиновые полу- цилиндрические анкеры с крупнопесчаной засыпкой и демпфирующим цилиндрическим элементом из пенопласта, который сглаживал профиль нарастания давления на торец анкера, смягчая гидроудар и обеспечивая время для более плотного заклинивания половинок анкера.

ВЫВОДЫ:

• Разработаны рецептура пиротехнического состава и конструкция воспламенительного устройства, обеспечивающие бездетонационный режим разложения в условиях замкнутого объема.
• Предложены конструкция газогенерирующих патронов ГДШ, схемы их зарядки и запирания, обеспечивающие эффективное низкосейсмичное разрушение железобетонных конструкций с малым радиусом разброса фрагментов.
• Рекомендованы различные типы забойки шпуров, в том числе обводненных, для повышения КПД использования продуктов сгорания ГДШ и их нейтрализации.
• Успешно испытаны схемы зарядки ГДШ при дроблении гранитных валунов объемом 10-50 м3 под водой на глубине 4-7 метров без нанесения повреждений ихтиофауне.