Взрывы в земной коре

Заряды с  воздушными промежутками имеют длинную предысторию. Еще в 1835 г. капитан русской армии Буте-нев предложил оставлять воздушную полость в нижней части скважины путем установки под заряд деревянного стержня. Следует отмстить, что почти сто лет спустя, в 1931 г., М. Я. Сухаревский и Ф. А. Першакоп модернизировали это предложение, решив рассредоточить заряды применением фальшивых патронов; они же рекомендовали использовать патроны меньшего диаметра, чем диаметр шпура, оставляя таким образом кольцевой воздушный зазор. Все это было направлено па повышение эффективности воздействия взрыва на среду.

Свое настоящее  рождение заряды с воздушными промежутками получили в начале 60-х годов, когда исследования Н. В. Мельникова и Л. Н. Марченко выявили физическую картину разрушения зарядом, имеющим воздушный промежуток. Было установлено, что продукты детонации первоначально могут расширяться в этом промежутке, за счет чего не только снижается начальное давление взрыва и соответственно увеличивается длительность процесса, но и достигается соударение газовых потоков в самом воздушном промежутке. В результате уменьшаются затраты энергии на местное действие взрыва и соответственно увеличиваются се затраты на полезное дробление породы. В зарядах выброса создаются воздушные полости между зарядом и стенками зарядной полости, играющие роль компенсатора: уменьшается пиковое давление взрыва, за счет сокращения его местного действия возрастает доля энергии взрыва, используемой на выброс породы; в результате при одинаковой величине заряда увеличивается объем образуемой выемки и снижается удельный расход ВВ.

Работами  Н. В. Мельникова и Л. Н. Марченко показано, что взрывание камерных зарядов ВВ с воздушными промежутками (так называемое бесконтактное взрывание) увеличивает работу взрыва па выброс за счет более благоприятных термодинамических условии работы про-

101

дуктов детонации, связанных с уменьшением их начального давления при неизменной энергии (одновременно уменьшаются потери на ненужные формы работы взрыва — переизмельчение в ближней от заряда зоне, пластические деформации грунта).

Увеличение  длительности воздействия взрыва на мас-сив горных пород эффективно достигается путем применения ВВ с широкой зоной химической реакции — гранулированных аммиачно-селитренных взрывчатых веществ. Они дают также возможность регулировать концентрацию энергии ВВ в зарядной камере.

Другая форма  увеличения времени воздействия взрыва па массив горных пород — метод взрывания зарядов с короткими (в тысячные доли секунды) интервалами — короткозамедленное взрывание. Этот метод впервые был предложен и осуществлен в конце 30-х годов в СССР горным инженером К. А, Берлиным. При проходке ствола шахты посредством детонирующего шнура между на-чалом детонации зарядов смежных кольцевых рядов был создан интервал порядка десятых долей миллисекунды; такой интервал достаточен для того, чтобы куски раздробленной взрывом породы перемещались к середине забоя ствола, образуя конусообразный навал горной массы, наиболее удобный для грейферной погрузки.

Большое количество исследований в области коротко-замедленного взрывания в 50—60-е годы (Г. И. Покров-скип, Ю. В. Гаек, Г. М. Китач, М. Ф. Друкованый, Ф. М. Кучерявый и др.) способствовало повсеместному внедрению его па карьерах и значительному улучшению качества дробления пород. При этом методе взрывания каждый последующий взрыв воздействует па породу, находящуюся в напряженном состоянии под влиянием предшествовавшего взрыва, и куски породы последующего взрыва настигают куски предыдущего взрыва (с учетом изменения направления движения в сторону ранее взорванного заряда); при столкновении кинетическая энергия движения затрачивается па дополнительное дробление столкнувшихся кусков, а дальность перемещения кусков и ширина развала уменьшаются. По сравнению с мгновенным взрыванием увеличивается длительность взрывного воздействия на массив: энергия сообщается ему как бы частями за больший суммарный промежуток времени.

Дальнейшее развитие этого направления — разработка

106     • 

схем короткозамедленного  взрывания, при которых создаются встречные направления движения кусков разрушенной породы, что улучшает дробление.

В конце 60-х  годов в СССР для увеличения длительности действия взрыва на массив широко применяется взрывание на горную массу, не убранную от предыдущего взрыва. Взорванная на такую подпорную стенку в карьере горная масса не теряет статического равновесии, но прочность подвергнутого действию взрыва массива снижается до пределов, соизмеримых с усилием ковша экскаватора.

Длительность  воздействия взрыва возрастает также  за счет увеличения протяженности заряда при взрывании сдвоенных и строенных уступов, особенно успешном в породах легко разрушаемых. При этом в крепких и монолитных породах в зажатой среде отмечается неудовлетворительное разрушение породы на уровне подошвы уступа. Решить этот вопрос удалось па основе найденой Г. К. Акутиным закономерности: радиус дробящего действия взрыва достигает максимального значения в районе инициирования заряда и уменьшается в направлении распространения детонации.

В начале 70-х годов  В. М. Комир высказал идею, что максимальное разрушающее действие взрыва в районе инициирования заряда обусловлено особенностями взаимодействия детонационной волны со стенкой зарядной камеры. В районе очага инициирования детонационная волна подходит к стопке зарядной камеры под прямым углом (наиболее благоприятный случай передачи энергии взрывной волны в массив). По мере удаления детонационной волны от точки инициирования этот угол уменьшается, и удар становится как бы «скользящим». Этим можно объяснить эффективность инициирования заряда ВВ не в одной, а во многих точках одновременно (многоточечное инициирование, разработанное В. II. Мосинцом).

Управление  длительностью воздействия взрыва может быть осуществлено пространственным расположением зарядов. Сближение одновременно взрываемых скважинных зарядов способствует первоочередному смыканию ради-альных трещин по линии расположения зарядом с образованием сплошной щели; время образования щели меньше времени достижения трещинами свободной поверхности. Продукты взрыва через полость щели вырываются в атмо-

107

сферу и длительность их воздействия па породу оказывается меньше времени, необходимого для дробления отрываемой части массива. Сближенное расположение зарядов в сочетании с демифирующим действием воздушного зазора между патронами ВВ и стенками шпура, а также воздушных промежутков между торцами патронов ВВ обеспечивают гладкий отрыв породы по заданному контуру и сохранение прочности поверхности массива.

При замене цилиндрической зарядной полости щеле-видной и переходе на применение плоского заряда ВВ фронт ударной волны взрыва становится плоским. Вследствие этого с расстоянием уменьшается степень затухания энергии на фронте волны.

... История  применения взрыва в горном  дело имеет точную дату отсчета, которую сохранил протокол архива горного суда в г. Хемнице: 8 февраля 1627 г. тиролец Каспар Бейдель успешно использовал пороховые заряды для проходки Верхне-Бобровой штольни на руднике в Банской-Штявнице в Словакии. В 1632 г. с помощью пороха ведутся рудничные работы близ Клаусталя и на серебряных рудниках в Швеции, в 1645 г.— близ Фрей-берга, а с 1670 г.— во многих государствах Европы. В 1680 г. Томас Эпслей (старший) употребил порох в Корншиских оловянных рудниках (Англия) — с этого времени его применяют для добычи многих полезных ископаемых. Впрочем, сведения о мирном использовании взрыва идут от XVI в.: пороховыми зарядами был расчищен фарватер р. Неман в России.

Однако первый опыт применения пороха давал недостаточно эффективные результаты: взрывы производились в открытых шпурах. В 1687 г. впервые была выполнена забойка в виде деревянной пробки. Правда, она не оказывала достаточного сопротивления пороховым газам (отметим, что и первые шпуры, пробуренные железным трубчатым буром диаметром около 75 мм, были неглубокими), но стала неотъемлемым элементом взрывных работ.

К концу XVII в. буровой инструмент позволил делать шпуры большей длины и меньшего диаметра. Сразу же удалось увеличить пороховые заряды. Они показали несостоятельность пробковой забойки. Поиски надежной забойки привели к влажной глине, которая благодаря высокой пластичности позволяла надежно закупоривать заряд в шпуре. Позже в нее стали добавлять песок,

103 

Применение пороха для  дробления горных пород в рудниках (так называемые порохострельные работы) положило конец огненной, кирковой и клиновой работе по отделению скальных пород от массива. Порохострельные работы воцарились как единственный метод дробления почти на два столетия.

В горной промышленности России порох вначале использовался для добычи руд, относительно мягкий уголь разрушался обушком и кайлом. Незначительные масштабы угольной добычи и высокая цена пороха позволяли обходиться ручной отбойкой. Только в начале XIX в. взрывной способ дробления (порохострельные работы) распространяется на каменноугольные шахты. Глубина шпуров достигла 1 —1,5 м. Русский ученый А. И, Узатис так описывает эти работы (1843): «Порохострельная работа, подобно клиновой, употребляется нередко для добычи больших масс породы, обнаженной с нескольких сторон врубами, проводимыми кайлою, как, например, при каменном угле, либо одноручными небольшими шпурами, как это встречается при разработке толстых жил либо штоков».

Несмотря  па появление динамитов, порох еще  долго применяли для отбойки угля: он обеспечивал получение значительного количества крупных кусков угля (динамиты переизмельчали уголь).

В начале 60-х годов  порохострельные работы в горных породах вытесняются новыми ВВ. Одним из первых конкурентов пороха стал жидкий нитроглицерин. Особую сложность представляла задача взорвать нитроглицерином трещиноватые породы. Вертикальный шнур обмазывали изнутри глиной, чтобы предотвратить утечку ВВ. Затем через жестяные воронки в шпуры заливалось заранее отмеренное в сосуде количество нитроглицерина. В заряд на воспламенительном шнуре (стонине) опускали капсюль. Верхнюю часть шпура доливали водой. Второй способ состоял в том, что в нитроглицерин опускали патрон (деревянная гильза, наполненная мелким порохом), соединенный со стопином. В нитроглицерин патрон погружали до половины, а верхнюю его часть засыпали песком. После этого стопин поджигался. Более сложно было с горизонтальными и восходящими шпурами. В этом случае в ход шли жестяные патроны, которые плотно закрывались капсюлем, входившим в патрон до половины.

108

В марте 1865 г. таким способом была взорвана гра-нитная скала близ Стокгольма, Шпуры глубиной 3,4 м вместили по 2 кг нитроглицерина. Взрывом было отбито около 200 м* скалы. Л. Нобель широко рекламировал этот взрыв, что значительно расширило использование нитроглицерина для взрывания горных пород, В августе того же года были успешно применены крупные заряды нитроглицерина для отбойки пород в каменоломнях близ г. Лау-тенталя.

Нитроглицерин с забойкой песком взрывают в каменоломнях Верхнего Гарца, близ Аахена и в других частях Германии. Это были первые, по существу, взрывные работы на карьерах.

Особо следует  отметить взрывы нитроглицерина в крепких вязких базальтах каменоломни в Нассау (пороховые заряды здесь оказались бессильны), В шпурах глубиной 1—2 м с помощью бикфордова шпура были взорваны заряды нитроглицерина, которыми отбили глыбы объемом 9—12 м3.

В подземных  условиях нитроглицерин почти не применялся: это было сопряжено, как правило, с необходимостью укреплять стенки шпуров глиной и т. п.и другими неудобствами (выделение газов, вертикальные шпуры). Кроме того, опыты с взрыванием нитроглицерином в каменноугольной шахте близ Дортмунда привели к переиз-мельчению угля, неблагоприятные результаты были получены и при взрывании каменной соли в Страсфурте. В 1.867 г. сподвижник В. Ф. Пструшевского, Чернилов-ский-Сокол, успешно использовал нитроглицерин для разработки золотоносной россыпи на Верхне-Успенском прииске в Забайкалье.

Значительное  расширение объемов взрывных работ  в горных породах связано с изобретением и внедрением динамита. В 1871 г. динамиты применялись в России для добычи цинковых руд и каменного угля. Особое значение имело употребление динамита при строительстве первых крупных тоннелей в Альпах: Мон-Сеписского (12 км), Сен-Готарского (15 км), Арльбергского (10 км), Симплонского (10 км). Только благодаря взрывным работам стало возможным сооружение этих гигантских объектов.

С приходом в горное дело динамита значительно упростилась технология взрывных работ. Вместо камерных и

110 

мелкошпуровых зарядов  внедряются скважинные. С 50-х годов XX в. механизируется процесс заряжания ВВ на карьерах и в шахтах.

Ежегодно только в СССР с помощью взрыва дробится свыше 1 млрд. т горных пород. Взрывы для добычи полезных ископаемых поглощают львиную долю ежегодно расходуемых промышленных ВВ. Горняки Кузбасса подсчитали, что каждый год только на шахтах их бассейна взрывают 60 млн. зарядов — в среднем 170 тыс. зарядов каждые сутки! Эта нехитрая статистика показывает, как важен и нужен сегодня взрыв горнякам.

Масштабы  отдельных взрывов достигают  значительных величин. Рекордным был взрыв в 1966 г. на карьере «Медвежий ручей» Норильского горно-металлургического комбината, когда зарядами суммарной массой 1500 т ВВ было одновременно отбито 7 млн. т руды.

Основное  значение взрывов — раздробить скальные горные породы, сделать их доступными для ковшей экскаваторов и погрузчиком. Дробящие взрывы пришли на подземные горизонты шахт и рудников, па карьеры и прииски. Наибольшее распространение па открытых горных разработках (карьерах) получили заряды ВВ, помещаемые в довольно глубокие (иногда несколько десятков метров) цилиндрические углубления- скважины. Крупная скважина вмещает до I т ВВ.