Флегматичный взрыв

Мирный взрыв - незаменимый и усердный работник не одно десятилетие. В Советском Союзе его начали широко использовать в начале 20-х годов и только в горном деле. А сегодня трудно назвать все области применения взрыва. Он сваривает металлы и кабели связи, штампует детали, спекает металлические порошки, конструирует полимеры, вулканизирует каучук, выращивает кристаллы, зондирует недра Земли, строит плотины, прокладывает каналы. Однако по-прежнему главная обязанность взрыва - разрушение горных пород.

За шестидесятые годы в Советском Союзе взрывным способом добыто 40 миллиардов тонн минерального сырья. Чтобы оторвать это количество руды, камня, угля от массива, израсходовали шесть миллионов тонн взрывчатых веществ!

Почему горняки так безоговорочно отдали свои симпатии взрыву? Известно же, что его коэффициент полезного действия ниже, чем у современных землеройных машин. Роторные и шагающие экскаваторы способны перемещать за час тысячи кубометров породы на сотни метров. К тому же взрывная энергия в 10 раз дороже энергии электрической.

Но можно ли сегодня изготовить столь крепкий ковш экскаватора, которому под силу сокрушить скалу? Прочность новейших современных сплавов близка к прочности горных пород. В лучшем случае зубья ковша смогут лишь нанести царапины скальной породе.

Другое дело - взрыв. Его исполнительный орган - газы. Они в состоянии обрушить на препятствие давление в сотни тысяч атмосфер. Это в 20-30 раз больше усилия, которого достаточно для разрушения породы. При взрыве килограмма взрывчатого вещества выделяется энергия, достаточная для того, чтобы подбросить на 100 метров вверх кубометр горной породы. Весит он немало - две с половиной тонны.

Но предположим, что ковшу экскаватора удалось внедриться в скалу. Раз за разом он будет снимать слой толщиной не более десяти сантиметров. А ударная волна доставляет энергию взрыва на значительные расстояния. Скажем, килограммовый заряд размещается в полости диаметром десять сантиметров. В определенный момент взрыва эта полость расширится вдвое, а разрушение охватит целый кубометр. Это свойство взрыва также придает ему неоспоримые преимущества.

Громоздкую землеройную технику практически невозможно доставить в труднодоступные районы. Легче завезти, например, в горы взрывчатку и некоторые горные машины, чтобы подготовить места для ее размещения. Кроме того, взрыв не имеет соперников в работе по быстроте. Алма-Атинскую селезащитную плотину требовалось построить в течение года. Это было сделано с помощью двух мощных взрывов. Другой пример молниеносной работы - возведение Байпазинского гидроузла на реке Вахш. Взрыв соорудил плотину за то время, пока русло осушили, задержав воду выше по течению.

Сделав взрыв своим помощником, горняки, естественно, стали думать о его работоспособности. Масштабы взрывных работ таковы, что если их эффективность поднять всего на один процент, то в среднем все взрывное хозяйство страны сэкономит десять миллионов рублей!

Что необходимо предпринять в целях экономии?

Прежде всего, повысить КПД взрыва, который пока что очень мал - не более 15%.

...Не одну сотню лет взрывники во всем мире следовали нехитрой формуле: клади больше! Эту формулу им подсказал многолетний опыт обращения с дымным порохом; других взрывчатых веществ до середины прошлого века практически не применяли. Взрывники твердо знали: чем больше дымного пороха пустишь в дело, тем больше он наработает. Поэтому, когда речь заходила об энергии заряда, называли его вес: килограммы показывали мощь взрывчатого вещества.

Сто лет назад появились различные типы динамитов, изобретенные знаменитым Нобелем. Они были куда мощнее дымного пороха. Их возможности по части разрушения - следствие более высокой по сравнению с порохом скорости детонации. Иными словами, динамиты быстро превращались в газы и порождали ударные волны, которые оказывали громадное давление на окружающую среду, например на горную породу. Чем быстрее проходило превращение взрывчатого вещества, тем сильнее взрыв дробил породу. По этой причине динамиты превосходили в силе дымный порох.

Создавая новые, мощные взрывчатые вещества, специалисты старались привить им лучшие детонационные качества. Ведь именно они делали заряды работоспособнее.

Но недавно выяснилось, что высокобризантные взрывчатые вещества не такие уж хорошие работники по современным меркам. Действительно, они с легкостью расправлялись с горными породами, а вблизи заряда истирали их буквально в порошок. Вокруг заряда на расстоянии одного-двух его радиусов появлялась сфера измельченного камня. На образование этой пыльной оболочки уходила львиная доля взрывной энергии. Мало того, детонационная волна как бы вязла в порошке, тратила энергию, преодолевая его. Потери, в частности, происходили вследствие трения частиц друг о друга.

Поэтому взрывная волна, пройдя барьер из пыли, ослабевала. Она, конечно, делала свое дело - дробила породу, но не так усердно, не с тем напором, как до барьера. Выяснилось, что детонирующие взрывчатые вещества с очень высокой скоростью детонации - высокобризантные - работают неумело, с большими непроизводительными потерями. Горнякам ни к чему каменная пыль, для них лучше, когда взрыв раскалывает как можно больший объем горной массы и дробит ее равномерно.

Исследования советских ученых опровергли традиционный взгляд на высокобризантные взрывные вещества. Они пришли к выводу, что высокобризантный взрыв слишком резкий и потому промахивается мимо главной цели - расходует основную часть своего потенциала на то, чтобы стереть в порошок близлежащий камень.

Работоспособность взрыва, с точки зрения горняков, определяется общим запасом его энергии - к такому выводу пришли исследователи. Появилась новая характеристика взрывчатого вещества: объемная концентрация энергии. Она означает: в единице объема зарядной камеры надо "упаковать" как можно больше взрывной мощи. Старая формула "клади больше!" сохранялась, по смысл ее менялся. Теперь речь шла о более компактном размещении взрывчатого вещества.

Можно ли приспособить для этой цели высокобризантные вещества? Наверное, но при этом сохранялись бы все их недостатки. Неумелость в работе, о которой ужа говорилось. Кроме того, они требуют чрезвычайно осторожного, ювелирного обращения при транспортировке и" заряжении. Они дороги.

Новые взрывчатые вещества разработаны коллективом исследователей, которым руководил академик! Н. В. Мельников. Эти вещества названы "игданитами" - по имени Института горного дела АН СССР, в котором многие из авторов в свое время работали.

Основной компонент игданитов выпускается в виде зерен, в так называемых гранулах. В этом первое достоинство новых взрывчатых веществ.

Патронами нельзя забить до отказа часть скважины или шпура (скважина длиной несколько метров). Всегда: останется зазор между стенками и патронами.

Игданитами же можно полностью заполнить любую полость - они сыпучие. Воздушная струя подаст зерна в нужное место и уплотнит их. Вот почему с помощью игданитов удается в единице объема сконцентрировать наибольшее количество энергии. Наибольшее по сравнению с любым типом динамитов.

Специальная вязкая добавка обволакивает каждую гранулу. Поэтому химическая реакция, приводящая к взрыву, протекает не во всем объеме вещества. Реакция начинается с поверхности каждого зерна и идет в широкой зоне. Она растягивается во времени и тем самым удлиняет взрывной процесс, делает его спокойнее. Кроме того, подобная добавка оказала флегматизирующее действие, сделала безопасным обращение со взрывчаткой. Благодаря этому взрыв становится менее резким, его энергия передается горному массиву не мгновенно, а постепенно. Взрыв приобретает ловкость в работе и теперь расходует свои силы иначе - дробление окружающей горной породы, попавшей под действие взрыва, происходит более равномерно.

Игданиты не трудно готовить на месте проведения работ. Значит, по железной дороге можно возить не взрывоопасные вещества, а уже подготовленные гранулы, которые особых мер предосторожности не требуют. Перевозка намного удешевляется, поскольку железнодорожники взимают большие деньги за транспортировку всего, что может взорваться.

Доставили мешки, наполненные безобидными зернами, на комбинат. Из вагона - на транспортерную ленту, затем к установке, разрезающей мешки. Гранулы сыпятся в бункер. Из него по трубам - в зарядную машину - обычный грузовик с емкостями в кузове. В них взрывчатое вещество пропитывается соляровым маслом. Здесь же добавляются и другие компоненты. Грузовик отправляется в нужное место на карьерный уступ, где сжатый воздух доставляет готовую взрывную смесь в скважины.

Опасные и трудоемкие взрывные работы впервые удалось комплексно механизировать.

...В 1943 году на строительстве одной электростанции в скважину поместили взрывчатое вещество. Затем туда же залили... воду. Она окружила каждую частицу вещества, заполнила свободное пространство и, когда его взорвали, передала давление на стенки скважины. Так было опробовано водонаполненное взрывчатое вещество.

Взрывчатые вещества типа игданитов также могут действовать, находясь в окружении воды. Повышается плотность самого взрывчатого вещества и плотность заряжения. В один и тот же объем благодаря разжижению поместится больше энергии - и так повысится ее объемная концентрация! А ведь именно этот показатель, как мы помним, решающим образом определяет работоспособность взрыва.

Горные породы, как правило, разбиты трещинами, обводнены. Если мы в скважину нальем жидкого взрывчатого вещества, оно может попросту уплыть или разбавиться подземной водой. Поэтому при изготовлении льющихся или текучих взрывчатых веществ обязательно используют загуститель, который превращает раствор в своего рода кисель. Он хорошо льется в скважины, но из них в подземные щели не вытекает. Таковы ифзаниты - взрывчатые вещества нового класса.

Среди них имеется много разновидностей. Например, такие которые получают из горячих растворов специальных веществ. Попав в скважину в жидком виде, они через некоторое время твердеют. Получается отливка, плотно заполняющая полость.

Ряд составов содержит воду. Но вместо воды можно использовать другие активные жидкости. Они не только повышают плотность взрывчатого вещества, но и сами участвуют в деле. Как видите, подходы различные, а цель одна - повысить объемную концентрацию энергии. Выяснив однажды, как заставить взрыв лучше работать, ученые начали активно использовать идею объемной концентрации.

Правда, ряд ученых отмечает, что высокая плотность не единственное достоинство текучих взрывчатых веществ. А некоторые считают даже, что это вовсе и не достоинство, что добавление воды как раз уменьшает плотность упаковки взрывной энергии. Но это с лихвой компенсируется продолжительностью давления, развиваемого взрывом текучих взрывчатых веществ, иначе говоря, протяженностью взрывного воздействия. Причина тому - испарение воды. Она мгновенно превращается в пар, и он увеличивает объем взрывных газов и соответственно механическую работу по разрушению.

Ифзаниты и им подобные вещества можно готовить на месте работ, сразу перед взрывом. Зарядная машина, подъехав к пробуренным скважинам, с помощью сжатого воздуха загоняет в них раствор.

Не только новые взрывчатые вещества повысили эффективность взрывных работ. Горняки сумели так хорошо изучить своего давнего помощника, что научились управлять им. Своевольный взрыв они сделали более послушным.

...При взрывах в железорудных карьерах Криворожского бассейна почти десятая часть раздробленной массы - глыбы с поперечником больше метра. Это так называемый негабарит. Проще говоря, бесполезный для дальнейшего производства материал. Самосвал его и поднимать не станет - для ковша такие глыбы не сподручны и тяжеловаты: могут весить до четырех тонн. Да и нет смысла их ворочать. На обогатительной фабрике гигантские куски не удастся размельчить, дробилки на них не рассчитаны. И значит, не удастся обогатить - отделить пустую породу от железной руды.

Негабарит - словно сорняк на полях. Не дает машинам и механизмам маневрировать, подходить к рабочим местам, занимает попусту место, резко снижает рудный урожай.

Сколько же железорудного негабарита приходится разбивать повторно: бурить глыбы перфораторами, закладывать в отверстия взрывчатку, взрывать, грузить. Специально для этого в карьерах держат мощное компрессорное хозяйство (сжатый воздух для перфораторов), останавливают все работы, снимают на время взрывов железнодорожные рельсы, электропроводку и провода связи. Канительное дело, и очень дорогое. В сущности, повторная добыча уже добытой руды.

Чтобы уменьшить процент негабарита, надо взрывать так, чтобы от целика отрывалось по возможности меньше глыб-гигантов, и если уж такие и отрывались бы, то, падая на уступ карьера, дробились. Взрыв предполагалось сделать не более сильным, а более ловким.

Первый урок ловкости состоял в том, что заряды стали взрывать с некоторым замедлением. Раньше бурили, скажем, сорок скважин в один ряд, закладывали в них ВВ и - готово! По новому методу скважины взрывали через одну, например, четные, а потом нечетные, или располагали в ряды - сначала первый ряд, а за ним второй, третий и т. д., или секциями, или по диагонали. Словом, в порядке очереди. Простой прием в половину сократил выход негабарита.

Новый способ назвали "многорядное короткозамедленное взрывание". Его секрет состоял в том, что вторые, третьи - все последующие порции взрывов поражали большую поверхность, чем первые. Изначальное разрушение как бы захватывало плацдарм, обнажало для атаки все новые участки, на них и обрушивались удары. Взрыв получал, если можно так сказать, более широкий простор для действия. Кроме того, в полете глыбы ударялись друг о друга. Первая партия начала полет, ее догоняют те, что подняли в воздух вторые взрывы, их догоняют следующие и т. д. Замедление составляет тысячные доли секунды.

Время воздействия взрыва на породу - вот главная хитрость, главный секрет его повышенной работоспособности.

Опыты на моделях подтвердили это. Скоростная фотосъемка - два с половиной миллиона кадров в секунду показала разрушение стекла при одной и той же силе взрыва. Долгий взрыв оказался наиболее трудолюбивым.

Вслед за первым уроком пошел второй: взрывание в зажатой среде. Пробурили скважины, заложили ВВ, взорвали - взорванная руда легла на уступ. Стоп. Погрузку не начинать - прежде взорвем верхний уступ.

Пробурили скважины, заложили ВВ, взорвали - растянем тысячные доли секунды и посмотрим, что происходит при этом. Целик, разрушенный взрывом, движется в сторону груды глыб. Происходит удар на большой скорости, куски руды бьются о куски, становятся мельче. Первая выгода - уменьшение количества негабаритов.

Оторванной от целика руде некуда лететь - на ее пути плотная груда. Отсюда вторая выгода - разлет кусков невелик, нет дальнего метания. Можно не убирать с нижнего уступа железнодорожные рельсы, механизмы, электропроводку.

Газы от взрыва улетучиваются не так быстро, они на некоторый срок зажаты в каменном мешке и, чтобы освободиться из плена, должны как следует потрудиться. Время действия больше - вот и еще выгода.

Другой прием работы, которому обучили взрыв, - взрывание с воздушной полостью. Пожалуй, впервые за двести лет горняки отказались от традиционной формулы и стали класть не больше, а меньше: взрывчатым веществом они заполняли не весь объем камеры. Исследования академика П. В. Мельникова и его коллег показали, что воздушное окружение идет на пользу взрыву. Оно заставляет взрыв воздействовать на препятствие не один раз и сильно, а дважды и с меньшим напряжением. Однако в сумме энергия, переносимая взрывной волной, примерно в 1,7 раза выше, чем при отсутствии воздушной полости.

Тот же эффект дает расположение зарядов в скважине не сплошь, а с воздушными промежутками.

Можно взорвать заряды так, что при взрыве детонационные волны и волны, отраженные от стенок скважины, столкнутся между собой, начнут взаимодействовать. Они будут как бы "подталкивать" друг друга, произойдет самоусиление взрыва. Объясняется это тем, что взрывные продукты не могут вырваться из скважины, часть их мечется в узком пространстве, закрывая дорогу вверх. Ученые говорят о появлении в таких случаях своеобразного газодинамического затвора. Впрочем, такой затвор можно специально предусмотреть: расположить в верхней части скважины дополнительные заряды. Они взорвутся вместе с основными и преградят путь рвущимся наружу продуктам взрыва. Им придется устремиться вбок и отдать свою энергию на разрушение горной породы.

Взрыв следует применять прицельно, каждый раз учитывая особенности горного массива, который предстоит разрушить. Например, при разработке угольных месторождений приходится взрывать породы, в которых имеются линзы и округлые образования более крепкие, чем их окружение. Поэтому лучше обрушивать энергию взрыва не на крепкие орешки, а в промежутки между ними. Тогда весь массив скорее поддается. Вообще, следует бить по слабому месту карьерного уступа, там, где он, например, разбит трещинами.

...Горняки предусматривают увеличение открытой добычи угля, руды, строительного камня. Причем сооружать предполагается в основном крупные карьеры. Скажем, в железорудной промышленности число карьеров уменьшится, а объем отбитой горной массы в несколько раз возрастет.

Чем крупнее карьер, тем мощнее взрывы звучат в нем. И должны они работать с полной отдачей, как можно производительнее.

Взрыв еще надолго останется главным работником в карьерах, и поэтому его будут продолжать совершенствовать, продолжать обучать.