Взрывные технологии

ВЗРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, технологии, в которых для разрушения, перемещения, изменения структуры, формы и свойств различных естественных (горные породы, лёд, древесина) и искусственных (металлы, пластмассы, бетон и тому подобное) материалов используется энергия взрыва.

Взрывные технологии обычно осуществляются с использованием взрывчатых веществ (ВВ) и средств взрывания. Дозированное количество ВВ, помещённое в полость (шпур, скважину, камеру) или на поверхность разрушаемого объекта и снабжённое средством взрывания, называется зарядом. Поскольку полость для размещения заряда создаётся, как правило, бурением, совокупность процессов для выполнения взрывов часто называют буровзрывными работами. Основные особенности взрывной технологии - соединение в заряде ВВ функций энергоносителя и рабочего органа, быстрота протекания процесса, высокие мощности. Взрывные технологии требуют соблюдения специальных правил безопасности.

Исторический очерк. Впервые в мирных целях взрывы были применены в 1548-72 годах, когда взрывом пороховых зарядов был расчищен от камней фарватер реки Неман. Для добывания руд взрывные технологии с использованием пороха были предложены в России в 1617 году. История применения взрыва в горном деле начинается с 8.2.1627, когда тиролец К. Байдель успешно использовал пороховые заряды в шпурах для проходки Верхнебобровой штольни на руднике «Банска-Штявница» в Словакии. С помощью этого метода велись подземные горные работы в Австрии, Швеции, Германии, а с 1670 года - и в других государствах Европы. Более широкому развитию взрывных технологий способствовали: изобретение российским учёным П. Л. Шиллингом (1812) электрического способа взрывания, создание передвижных бурильных машин (1861) и буровых станков, открытие тротила (1863) и взрывчатых свойств смеси аммиачной селитры с углеродистыми веществами, изобретение динамита (1867), выпуск капсюлей-детонаторов (1867). С 1871 года динамит применялся в России для добычи цинковых руд и каменного угля. Благодаря использованию динамита стало возможно строительство первых крупных тоннелей в Альпах: Мон-Сениского (12 км), Сен-Готардского (15 км) и др. С середины 19 века взрывные технологии широко применяют для ликвидации ледяных заторов (река Нева, 1841), углубления фарватеров (река Буг, Днепровский лиман, 1858), разрушения подводных рифов (Нью-Йоркская гавань, 1876-85) и т.п. В конце 19 века на нефтяных промыслах России были проведены взрывные работы в скважинах (торпедирование) с целью увеличения нефтеотдачи пластов. В 1912 году на промысле «Чемпион» инженер Г. Невский впервые применил взрывной метод увеличения дебита нефти. Повышение интенсивности и расширение масштабов горного производства в начале 20 века, особенно с развитием открытого способа разработки, потребовало увеличения глубины заложения и величины зарядов ВВ; для этого донную часть глубоких (5-6 м) шпуров расширяли взрывами небольших зарядов до придания ей формы котла вместимостью в несколько десятков килограмм (так называемые котловые заряды, применённые в 1913 году при добыче железных руд в Криворожье). В этот период на карьерах США для размещения зарядов ВВ начинают использовать скважины диаметром 150-190 мм, глубиной 10-15 м, пробурённые ударно-канатными станками.

В 1913 году в США предложено изучать строение земной коры с помощью отражённых сейсмических волн, возбуждаемых взрывом; в 1919 году Л. Минтроп (Германия) выдвинул идею использовать для этих же целей преломлённые волны. В 1924 году в Киркенесе (Норвегия) произведён один из первых крупных взрывов камерного заряда (350 тысяч тонн руды было отбито зарядом массой в 50 тонн). В 1924 году в Гранд-Каунти (США) с помощью взрыва впервые был потушен пожар на газовой скважине; в 1930 году в районе Майкопа взрывные технологии были применены для ликвидации пожара на нефтяной скважине. В 1930-х годах в СССР впервые в мировой практике направленным взрывом на выброс проводились капитальные траншеи для вскрытия месторождений на Подольском карьере, сооружались каналы, котлованы и др. С середины 20 века взрывные технологии широко применяют для уплотнения грунтов при строительстве объектов.

В 1950-60-х годах в СССР разработаны основы взрывного штампования металлов, в 1954 году в США был впервые исследован процесс взрывной сварки. В конце 20 века были проработаны и реализованы варианты использования ядерных зарядов для разрушения горной породы, но пока они не нашли практического применения, в основном из-за опасности заражения окружающей среды радиоактивными продуктами ядерного взрыва.

Область применения. В горной промышленности взрывные технологии применяют для разведки полезных ископаемых, вскрытия и разработки месторождений. В нефте- и газодобывающей промышленности взрывные технологии используют для: ликвидации аварий бурового инструмента; повышения дебита нефти из пласта путём взрывания торпед в скважинах; воздвижения искусственных дамб и островов в местах подводной добычи; создания подземных хранилищ нефти методом уплотнения глинистых грунтов взрывом. Взрывы применяют для ликвидации пожаров нефтяных и газовых скважин. В строительстве взрывные технологии используют для планировки строительных площадок, рыхления мёрзлых и скальных грунтов, удаления валунов и пней, для образования выемок, котлованов, насыпных и камненабросных плотин, для сооружения дорожных и гидротехнических тоннелей, разрушения временных перемычек и тому подобное. Взрывные технологии применяют для обрушения подлежащих сносу зданий, разрушения фундаментов и др. В водном хозяйстве взрывные технологии используют для углубления дна водоёмов и фарватеров рек, спрямления и очистки русла, уничтожения порогов и перекатов, ликвидации ледяных заторов, пропуска льда под мостами, охраны от льда сооружений и тому подобное. В полярных условиях с помощью взрывных технологий разрушают ледяные поля и торосы, освобождают вмёрзшие в лёд суда и др. В сельском и лесном хозяйстве применяют валку деревьев взрывом для образования защитных полос, предотвращающих распространение лесных пожаров. Взрывные технологии успешно внедрены для обработки металлов (для сварки, штамповки, упрочнения и пр.). Под действием ударной волны полимеризуются мономеры, не поддающиеся полимеризации другими методами (например, дифенилацетилен).

При всём многообразии взрывных технологий в основном они применяются в горном деле, где с помощью взрыва производится дробление материалов, их уплотнение, направленное перемещение, изучение строения земной коры, горно-разведочные работы.

Дробление горных пород взрывом. Добыча полезных ископаемых из недр Земли связана с проблемой разрушения горных пород. Отделение пород от массива и дробление их на куски заданных размеров является начальным процессом технологии добычи полезных ископаемых, определяющим эффективность последующих процессов добычи: погрузки, транспортирования, механического дробления на обогатительных фабриках и тому подобное.

Взрывные технологии применяют для проведения выработок, подземной добычи угля или руд, открытой разработки месторождений.

При проведении горных выработок взрывные технологии включают следующие процессы: бурение и заряжание зарядами шпуров в забое, взрывание и проветривание, уборку породы и крепление выработок. При подземной разработке рудных месторождений применяют как шпуровые, так и скважинные заряды. Параметры расположения шпуров зависят от физико-механических свойств взрываемых пород, размеров и расположения очистного забоя, принятого направления выемки полезного ископаемого. При небольшой мощности месторождения применяется отбойка шпуровыми зарядами; на мощных рудных месторождениях используют в основном скважинные заряды. При разработке рудная залежь делится на блоки, представляющие собой, как правило, параллелепипеды различных размеров в зависимости от свойств пород и мощности залежи. Блоки отделяют один от другого в горизонтальной плоскости целиками, воспринимающими горное давление в процессе выемки, а в вертикальной плоскости - потолочинами. В блоке создаётся свободное компенсационное пространство (отрезная щель), в направлении которого в дальнейшем ведётся отбойка руды.

В конце 20 века на подземных рудниках реализована новая технология ведения горных работ с существенным увеличением объёмов взрывной подготовки горного массива к выемке. Используются заряды большой массы, которые помещают в вертикальные цилиндрические полости, создаваемые в блоке горного массива взрывными методами. Этот метод существенно снижает количество вспомогательных горных выработок, проходимых при традиционных методах взрывания.

Основные объёмы твёрдого полезного ископаемого добывают при открытой разработке месторождений (на карьерах и разрезах), используя скважинные или шпуровые заряды различных конструкций. Взрывные работы ведутся на уступах высотой от 10 до 30 м (обычно 15 м). При применении для разрушения массива скважинных зарядов бурят вертикальные или наклонные скважины диаметром 100-320 мм, с расширением на железорудных карьерах огневым способом до 400-500 мм. Глубина скважин, как правило, превышает высоту уступа. На карьерах малой производительности или на крупных карьерах для вспомогательных работ взрывание производят шпуровыми зарядами, для чего сооружают вертикальные, наклонные или горизонтальные шпуры диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Для осуществления направленного взрыва на выброс и на сброс при строительстве плотин, дамб и каналов применяют камерные заряды - сосредоточенные заряды большой массы - от нескольких тонн до тысяч тонн, размещаемые в камерах. Разрушение объектов может быть произведено накладными зарядами; в этом случае их укладывают на разрушаемые объекты (крупные куски породы - «негабариты», козырьки и т.п.).

Взрывные технологии предполагают расчёт зон безопасности с учётом различных факторов: сейсмического действия взрыва, разлёта осколков, ударной воздушной волны, образования и распространения пылегазового облака. Изменяя геометрию расположения скважин, конструкцию зарядов, вид ВВ и порядок взрывания, можно управлять передачей энергии взрыва разрушаемому массиву, ослаблять или усиливать действие взрыва в нужном направлении.

Уплотнение сжимаемых пород взрывом. В пластичных горных породах динамическая взрывная нагрузка приводит к необратимому их сжатию. Практическое применение взрывного уплотнения нескальных пород весьма многообразно. С помощью взрыва, сжимающего грунт, сооружают горные выработки без извлечения породы. При строительстве дорог через торфяные болота взрывом производят посадку насыпи на минеральное дно болот. В момент взрыва трясина под песчаной отсыпкой отжимается в стороны - насыпь опускается на минеральное дно. Эффективным средством увеличения плотности оснований сооружений является взрывное уплотнение просадочных и водонасыщенных несвязанных грунтов. Взрывом также можно менять фильтрационные свойства грунтов, что особенно важно для ирригационных сооружений.

Обработка материалов взрывом. Взрывное воздействие применяют для увеличения поверхностной твёрдости, износостойкости и прочности деталей из сталей, алюминиевых и титановых сплавов и других металлических материалов. В промышленных масштабах упрочнение осуществляется ударными волнами, образующимися при детонации тонких слоёв пластичных или эластичных ВВ, плотно контактирующих с упрочняемой деталью. Разработаны способы взрывной сварки материалов: энергия взрыва используется для разгона двух или нескольких металлических тел, образующих при соударении прочное соединение. Сварку взрывом используют для изготовления многослойных (чаще всего биметаллических) листов, полос, цилиндрических изделий, композиционных материалов волокнистого строения из разнообразных металлов и сплавов, в том числе и тех, сварка которых другими способами затруднительна. Взрывные технологии разработаны для прессования пористых материалов, таких, как порошки, гранулы, губки, что существенно расширило возможности порошковых технологий прессования труднопрессуемых композиций и изготовления из них крупногабаритных изделий. С помощью взрывного прессования могут быть получены соединения металлов с керамикой, объёмные изделия из порошков аморфных металлов, конструктивные элементы из сверхпроводящей керамики. В машиностроении применяют энергию взрыва для штамповки различных изделий из листового металла. Наибольшее распространение получила штамповка взрывом с использованием воды в качестве среды, передающей энергию от заряда ВВ к заготовке. По этой технологии листовую заготовку закрепляют на матрице. На определённом расстоянии над заготовкой размещают заряд. Матрицу с заготовкой и установленным зарядом опускают в бассейн с водой и производят взрыв. Заготовка под действием взрыва деформируется и принимает форму матрицы.

Взрывные технологии применяют при изготовлении сверхтвёрдых материалов, в том числе для получения синтетических алмазов. Разработаны технологические схемы ударно-волнового (динамического) и детонационного синтеза сверхтвёрдых материалов. Одним из перспективных методов динамического синтеза является метод ударного сжатия смесей исходного вещества с криогенными жидкостями (сжиженными газами) с последующей быстрой «разгрузкой» таких смесей до атмосферного давления. За счёт сильного разогрева сжиженных газов в ударных волнах температура смеси сначала сильно повышается, а при разгрузке быстро падает вследствие расширения жидкости и её газификации, что способствует сохранению твёрдой фазы материалов. Детонационный синтез сверхтвёрдых материалов осуществляется при детонации смесевых зарядов ВВ во взрывной камере специальной конструкции. Размеры получаемых частиц находятся в пределах 0,05-5 мкм.

Лит.: Суханов А. Ф., Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород. М., 1967; Демидюк Г. П., Бугайский А. Н. Средства механизации и технология взрывных работ с применением гранулированных взрывчатых веществ. М., 1975; Мосинец В. Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М., 1976; Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / Под редакцией К. Н. Трубецкого. М., 1997; Физика взрыва / Под редакцией Л. П. Орленко. 3-е изд. М., 2002. Т. 2.