Хирургия горных пород

Небольшой, но крутой подъем по склону горы, и передо мною карьер для добычи исландского шпата. Впрочем, "карьер" - это громко сказано. Он не похож даже на самую маленькую земляную чашу, на дне которой умещается всего один экскаватор, не говоря уж о тех гигантских угольных или железорудных котлованах, где тепловоз и десяток вагонов кажутся игрушечным поездом.

Нет, здесь, на высоком берегу реки, ковыряло склон не более двадцати человек. Именно ковыряло: тяжелыми кувалдами, зубилами и другим нехитрым инструментом они откалывали куски горной породы. Рабочие со всего размаху обрушивали кувалды на темно-серую стену. Удар, еще удар, и в темном неприступном массиве вдруг открывалась ниша, а в ней сверкал на солнце большой белый кристалл. Рабочие переставали махать молотками, начинали потихоньку отбивать маленькие кусочки породы. Они обнажали кристалл, подбирались к нему, словно к орешку в скорлупе. С большими предосторожностями, наконец, вынимали его и нежно клали на тачку. Кристалл отвозили в специальное место.

Я поднял с земли кусочек исландского шпата и положил его на блокнот. Буквы под ним сдвоились. Вот за что так высоко ценят прозрачный минерал! У него резко выражена способность к двойному лучепреломлению, что делает его незаменимым при изготовлении разнообразных поляризационных призм и приборов - микроскопов, спектрометров, дальномеров, прицелов и т. д.

Вся рабочая площадка была усыпана белыми обломками. Негодное сырье. И тот почти полуметровый кристалл, который при мне вынули из гнезда, наверное, весь окажется негодным. Если из него выколют пластину размером 30 X 30 X 14 миллиметров (!) и она окажется без дефектов, то это будет большой удачей: уникальный кристалл! Гора родит мышь...

Вот почему, увидев гнездо исландского шпата или по опыту зная, что оно скоро появится, рабочие в карьере превращаются в ювелиров. Минерал в 20 раз более хрупок, чем окружающая его порода. Сильный удар оставит нетронутой породу, но может окончиться расколом в кристалле или нитевидной трещиной, невидимой, но уничтожающей его замечательные свойства. По той же причине неприменимо здесь и взрывчатое вещество, даже самое слабое. Добыча исландского шпата повсеместно ведется вручную.

В Москве, в лаборатории кафедры механизации и автоматизации горных и геологоразведочных работ Московского геологоразведочного института мне продемонстрировали взрыв, который проложил в цементном кубике паутину трещин, но не оставил и царапины на кусочке исландского шпата. А ведь он находился в центре кубика, в углублении, в нескольких сантиметрах от взрывного устройства.

Электровзрыв демонстрирует свою работу: аккуратно разрезает бетонные кубики, оставляя нетронутой электрическую лампочку, разбивает большие глыбы

Я предложил повторить опыт с электрической лампочкой: исландский шпат мало кто держал в руках, а вот если уцелеет стекло... Доцент кафедры А. А. Смоляницкий и аспирант В. А. Гриценко согласились: "Нам самим интересно". Достали лампочку (Смоляницкий вынул ее из своего автомобиля - так был уверен!), вставили ее в углубление целого кубика и снова в тесной лаборатории прозвучал сильный хлопок. Кубик - в трещинах, лампочка - целехонька! Так я познакомился с первой и успешной попыткой применить электрический взрыв в горном деле. И не только в стенах лаборатории...

Прозрачный материал навсегда запечатлел движение разрушительных сил

Электрический взрыв, или, как его еще называют, электрогидравлический эффект, известен давно, чуть ли не несколько веков. Но популярность он приобрел 15-20 лет назад, когда советский изобретатель Л. А. Юткин блестяще показал, на что способен электрический разряд в жидкости. Сегодня же вряд ли кто возьмется составить его послужной список и тем более назвать все возможные области применения. Электровзрыв штампует, вытягивает, развальцовывает металл, пробивает в нем отверстие, очищает литые детали, дробит каменный материал, в том числе и радиоактивный, обрабатывает синтетические алмазы, излучает упругие колебания при сейсморазведке, бурит скважины... Более 300 лабораторий во всем мире сейчас заняты изучением возможностей искры, проскакивающей между двумя электродами, погруженными в обычную воду.

Мощность маленькой молнии достигает десятков тысяч киловатт. В искровом канале возникает разрядная плазма, которая начинает стремительно расширяться - быстрее скорости звука. Образуется ударная волна, давление на ее фронте достигает нескольких тысяч атмосфер. Она обрушивается на воду, а та передает импульс давления по инстанции - к обрабатываемому материалу или изделию. Электрическая энергия переходит в механическую. После разряда на его месте возникает парогазовая полость. Этот пузырь тоже расширяется и тоже оказывает давление на воду, хотя и небольшое по сравнению с силой ударной волны. Но зато второй импульс длиннее, и потому он вносит значительный вклад в общую работу. И наконец, дело завершают кавитационные процессы. В воде появляется множество мельчайших пузырьков, которые схлопываются и действуют как микровзрывы.

Электровзрыв демонстрирует свою работу: аккуратно разрезает бетонные кубики, оставляя нетронутой электрическую лампочку, разбивает большие глыбы

Сотрудники лаборатории решили привлечь на горную службу не свободный разряд, а взрывающиеся проволочки. Они устанавливаются между электродами, и при включении батарей электрический ток избавлен от необходимости прокладывать себе дорогу в воде, он проходит по проводничку из алюминия или меди. Проволочка раскаляется, доходит до температуры кипения и плавится. Жидкий металл переходит в газообразное состояние и мгновенно испаряется. Проволочка увеличивается в объеме в 100 тысяч раз и рождает ударную волну.

Этот вариант электровзрыва получил предпочтение, потому что он более управляем, обладает высоким коэффициентом полезного действия, им можно создавать ударные волны разной геометрии.

Горняки стали искать, где взрывающиеся проволочки уже работают? И обнаружили единственную в своем роде установку... на полях Белоруссии. Там она крушила валуны, освобождая от них землю для пахоты. Ее авторы - сотрудники Минского института тепло- и массообмена - охотно встретили москвичей. Гости везли с собой идеи, которые обещали электровзрывной установке поле деятельности, не сравнимое с полями всей Белоруссии.

Конечно, установку переделали, приспособили к новым требованиям. И первая модель появилась в карьерах для добычи исландского шпата. Для нее бурили ряд метровых шнуров (маленьких скважин) и заливали их водой - каждый шпур превращался во взрывную камеру. Затем в них вставляли большие наконечники - сами электроды. На их конце - обнаженная проволочка, соединенная одним концом с положительным электродом, я другим - с корпусом (отрицательный электрод). Кабели от наконечников тянулись к закрытой автомашине - генератору импульсных токов, поставленному на колеса. Все отходили на небольшое расстояние и после несильного, но резкого треска видели, как от массива откалывался аккуратный прямоугольник горной породы. Наконечники вставляли в соседние шпуры, и все повторялось. Так, раз за разом, словно нарезая пирог, установка прокладывала путь к гнездам исландского шпата. Два электровзрыва действовали как гвозди, вбиваемые в доску, они расщепляли породу по одной линии. Кинжальное действие - так определяет этот эффект А. А. Смоляницкий.

О деликатности электровзрывов в лабораторных опытах я уже рассказывал. В карьере они проявили себя не грубее. На расстоянии нескольких десятков сантиметров от взорвавшегося шпура не было заметно никаких последствий. На глазах изумленных рабочих происходила хирургическая операция по извлечению драгоценных кристаллов, в которой сочетались обычно неуживающиеся сила и точность.

Не менее удачно прошло первое выступление установки и в карьерах цветных камней. Здесь тоже до сих пор царит ручной труд. Сначала бурят шеренгу шпуров, затем в них вставляют металлические клинья, по которым сверху бьют кувалдой. Так откалывают блоки, которые режут на отдельные образцы. Рабочий может промахнуться. Удар по камню отзовется в нем трещиной. Хуже, если следствия удара не видны. Они обнаружатся на столе ювелира, когда на обработку цветного камня, ставшего драгоценностью, уже потратят много усилий и денег. Пробовали резать массив алмазными пилами - не вышло из-за непрочности пил, их дороговизны.

Электровзрывная установка почти не изменила существующей технологии, только шпуры бурятся гораздо реже. В них вместо клиньев вставляются электровзрыватели. На время хирургической разделки цветного камня шумный карьер молотобойцев затихал. Однако блоки яшмы отрезались от монолита с невиданной быстротой. В том же темпе (производительность выросла в несколько раз!) установка оперировала с гранитом, мрамором...

Между тем электровзрыв все более приживался в горном деле. Нет, он не собирался конкурировать с химическим взрывчатым веществом в силе, по масштабам поднимаемой на воздух горной массы. Чтобы проделать работу 300-граммового заряда, требуется поставить на колеса и подвести к карьерному уступу громоздкие электрические батареи объемом 100 тысяч кубических сантиметров. Какая уж тут конкуренция... Но там, где требовался управляемый взрыв, где нуждались в направленном воздействии, в тонкой работе, там электровзрыв становился незаменимым. Высокая технологичность придавала неоспоримые преимущества разряду в воде в деликатных операциях горных работ. Так дошла очередь до применения электровзрыва при разработке мерзлых грунтов.

В этой области уже наметилось генеральное направление: созданы и работают экскаваторы с рабочими органами активного действия. Имеется ковш со специальными ударными зубьями, которые с силой вгоняются в грунт пневмомолотками. В другой конструкции применены виброударные зубья, приводимые в действие электромотором. Для той же цели использованы электромагниты. Одним словом, руководящий принцип конструирования землеройных машин для севера состоит в придании ковшу самостоятельности - внедрению ковша в грунт помогает автономный двигатель.

Но и на этом верном пути создатели машин не добились пока окончательного успеха. Новые машины работают хорошо, но недолго. Скажем, ковш с виброударными зубьями выходит из строя иногда через 20 машино-часов. Причина: быстрый износ. Мерзлый грунт губит прочные стали. Сотрудники лаборатории пришли к выводу, что следует разделить обязанности ковша: он не должен и разрушать и убирать мерзлую землю. Пусть предварительно рыхлит ее электровзрыв. А на долю ковша останется лишь уборка рыхлого материала, что не потребует от него больших усилий и, значит, не приведет к быстрому износу. Миниатюрный ковш, пускающий впереди себя искры, уже создан и проверен в лаборатории. В каждом его зубчике стоит электрогидравлический взрыватель, к которому подведены электрическая линия и канал для подачи воды. Начаты испытания первой промышленной модели. От серийных она отличается конструкцией зубьев на ковше. Но будет она работать иначе: с огоньком в прямом и переносном смысле!