Взрывная технология

ВЗРЫВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (а. blasting technology; н. Schießtechnologie; ф. technique du tir, technique de l'explosion; и. tecnica de explosion) — целенаправленное разрушение, перемещение, изменение структуры и формы естественных (горные породы, лёд, древесина) и искусственных (металлы, пластмассы, бетон и т.п.) материалов, которое осуществляется за счёт энергии взрыва. В качестве энергоносителей используются в основном химические взрывчатые вещества, иногда также сжатый воздух, электрический разряд и др.

Общие сведения. Управление процессом при взрывной технологии осуществляется: дозированием энергии в заряде взрывчатого вещества; регулированием амплитуды и длительности импульса взрыва за счет изменения агрегатного состояния взрывчатого вещества или использования зарядов с демпфирующим воздушным промежутком; геометрией размещения системы зарядов в пространстве; применением различных способов и последовательности инициирования отдельных зарядов с целью их рационального взаимодействия. Основные особенности взрывной технологии — соединение в заряде взрывчатого вещества функций энергоносителя и рабочего органа, быстрота протекания процесса, высокие мощности. Взрывная технология характеризуется повышенной опасностью (возникновение воздушной ударной волны, сейсмического воздействия, разлёт разрушаемой среды, образование вредных газообразных продуктов детонации), что требует соблюдения специальных правил безопасности (см. Взрывные работы).

Область применения. Основные объёмы применения взрывной технологии приходятся на горное дело и строительство, где с помощью взрыва проводится дробление материалов (главным образом массивов горных пород), их уплотнение, направление перемещение, изучение строения земной коры, горно-разведочные работы на месторождениях полезных ископаемых — проходка канав, шурфов, штолен, стволов и т.п. Взрывная технология успешно внедрена для обработки металлов (для сварки, штамповки, упрочнения и пр.) и применяется во многих других областях техники (энергия взрывчатого вещества приводит в действие инструмент, позволяющий расщеплять или разрезать кабели, пробивать отверстия, клепать, гравировать на металлах). Взрывом гасят лесные и торфяные пожары, разбрасывают органические удобрения на полях. Под действием ударной волны полимеризуются ионные и радикальные мономеры, а также мономеры, не поддающиеся полимеризации другими методами (например, дифенилацетилен).

Дробление материалов взрывом. При дроблении, как правило, используют сочетание местных и общих форм работы взрыва (отбойка горных пород в карьерах и шахтах, проходка горных выработок, разрушение фундаментов и др.); реже используется лишь местная форма (перебивание металлических, железобетонных конструкций, валка деревьев и т.п.). Форма работы взрыва регулируется изменением соотношения между запасом энергии заряда взрывчатого вещества и его удалением от свободной поверхности; если оно крайне мало, то за счёт бризантного действия имеет место измельчение, сжатие, уплотнение вещества с образованием камуфлетной полости. При некотором его увеличении достигается дробление породы до свободной поверхности без разброса; при дальнейшем увеличении степень дробления возрастает, но в ещё большей мере растут затраты энергии на перемещение кусков, увеличиваются потери энергии в воздушной ударной волне. Основной метод взрывания горных пород при открытой и подземной разработке — скважинная отбойка, реже применяют методы шпуровых зарядов, котловой заряд и камерных зарядов.

При проведении подземных горных выработок и для добычи штучного камня используют шпуровые заряды. Интенсификация дробления пород достигается применением рациональных схем короткозамедленного взрывания, зарядов с воздушными промежутками и внутрискважинных замедлений, оставлением подпорной стенки из ранее взорванной породы. В шахтах, опасных по газу и пыли, используют сотрясательное и беспламенное взрывание. Для повышения устойчивости горных выработок, приближения контура выработки к проектному применяют контурное взрывание. Значительные объёмы приходятся на рыхление скальных пород при взрывании шпуровых, скважинных и камерных зарядов для образования профильных выемок для инженерных сооружений и зданий (рис. 1), железнодорожных и автомобильных магистралей, кабельных линий и трубопроводов, каналов гидроэлектростанций и др.

Особое место занимают строительство подводных траншей и дноуглубительные работы, которые обычно проводятся при помощи накладных, шпуровых и скважинных зарядов. С помощью взрыва в скальных породах образуют выемки для опор линий электропередач (рис. 2), опускных колодцев и т.п.

Значительные объёмы работ выполняются по взрывному дроблению негабаритов и валунов. Взрыванием разрушают ледяной покров (рис. 3), крупные плывущие льдины, ликвидируют заторы льда.

Металл дробят методом наружных (рис. 4) или шпуровых зарядов с использованием высокобризантных взрывчатых веществ.

Взрывная технология используется для дробления шлаков, огнеупорной кладки при текущих и капитальных ремонтах доменных печей и ликвидации аварий. Широко применяют взрывное обрушение зданий и промышленных сооружений путём одновременного взрывания комплекта небольших шпуровых зарядов взрывчатых веществ, разрушающих нижнюю часть стен по всему периметру обрушаемого сооружения (рис. 5).

В период завершения строительных работ на гидротехнических объектах взрывом на рыхление разрушают грунтовые или скальные перемычки. Взрывной способ эффективно применяют для рыхления моренных грунтов (сцементированные пески с включениями валунов) и мёрзлых грунтов (при глубине промерзания свыше 0,8-1 м). Мёрзлые грунты дробят шпуровыми, скважинными, котловыми, малокамерными (рис. 6) и щелевыми зарядами.

Взрывом рыхлят слежавшиеся материалы — поваренную соль, медный купорос, пек и др. Запрещается рыхление материалов (например, селитры), в которых может возникнуть детонация. Рыхление проводится в штабелях, складских помещениях, полувагонах.

Уплотнение сжимаемых пород взрывом. В пластичных горных породах (например, глинах) динамическая взрывная нагрузка приводит к необратимому их сжатию. Это происходит в основном благодаря переупаковке частиц скелета. Практическое применение взрывного уплотнения нескальных пород весьма многообразно. С помощью взрыва, сжимающего грунт, сооружают горные выработки без извлечения породы. Полученные полости в недрах используют как шурфы для разведки месторождений, стволы для вентиляции неглубоких шахт, хранилища для нефти, газа, ёмкости для захоронения вредных промышленных отходов и т.п. Для образования цилиндрической выработки по её оси бурят скважину, которую заполняют взрывчатыми веществами на всю длину и взрывают. Выработку эллиптической формы получают взрыванием двух параллельно расположенных удлинённых зарядов. Для образования сферической полости взрывают сосредоточенный заряд. При строительстве дорог через торфяные болота с помощью взрыва производят посадку насыпей на минеральное дно болот. В момент взрыва трясина под песчаной отсыпкой отжимается в стороны — насыпь опускается на минеральное дно.

Эффективным средством увеличения прочности оснований сооружений является взрывное уплотнение просадочных и водонасыщенных несвязанных грунтов. Разжижение грунта происходит из-за исчезновения значительной части контактов между частицами скелета после прохождения волны сжатия. Через определенное время (часы, дни) после разжижения взрывом начинается консолидация твёрдых частиц и уплотнение грунта. Из формирующегося при этом осадка вытесняется вода, и он приобретает устойчивую структуру. Используя эти свойства грунтов, строят земляные сооружения в заболоченных районах.

При уплотнении взрывом просадочных грунтов (супеси, суглинки, галечник и т.п.) применяют методы глубинных, поверхностных и подводных взрывов (рис. 7).

С помощью взрыва изменяют фильтрационные свойства грунтов, что особенно важно для ирригационных сооружений (например, уменьшение в несколько раз скорости фильтрации в руслах, сложенных супесями, суглинками, галечниками). За счёт рыхления грунтов взрывом увеличивается их проницаемость, что используется для восстановления водоотдачи водоносных горизонтов через скважины, плантажа почвенного слоя. Для восстановления водоотдачи безнапорных водоносных горизонтов и повышения производительности низкодебитных скважин применяют взрывные торпеды, изготавливаемые из детонирующего шнура в водонепроницаемой оболочке (см. торпедирование скважин). Для термогазохимической обработки продуктивных пластов сжигают пороховые заряды. Образованные взрывом трещины способствуют регулированию содержания воды в почве.

Направленное перемещение пород взрывом применяют в основном для образования плотин, перемычек, водохранилищ, каналов, траншей, насыпей. Энергия взрыва используется на перемещение значительных объёмов горных пород, направление и дальность которого определяются массой зарядов взрывчатых веществ, их конструкцией, геометрией размещения во взрываемом массиве, временем замедления и др. За счёт ускорения свободного падения и давления обрушаемой породы достигается высокая плотность ядра будущего сооружения, обеспечивающая его механическую и фильтрационную устойчивость и долговечность. Различают взрывы на выброс и на сброс (подробнее смотрите в статье направленный взрыв).

Обработка металлов взрывом. Импульсные взрывные нагрузки позволяют реализовать при обработке металлов физические явления, не используемые в традиционных технологиях сварки, штамповки, упрочнения, резки, пробивания изделий. Взрывом сваривают многие однородные и разнородные металлы, при этом получают соединения металлов и сплавов, не свариваемых между собой известными методами (алюминия с нержавеющей сталью, меди со свинцом и др.). Высокоскоростное соударение твёрдых тел при сварке взрывом сопровождается процессом волнообразования на поверхности контакта. При соударении свариваемых плит (под определенным углом) поверхность очищается за счёт того, что тонкий слой загрязняющих поверхность частиц уносится возникающим газовым потоком. Это повышает качество сварного шва. В простейшей схеме сварки металлов взрывом две пластины устанавливают на некотором расстоянии друг от друга под определенным углом (рис. 8).

Нижнюю пластину прочно укрепляют на опоре, а на верхнюю (иногда с каким-либо инертным подслоем) помещают слой взрывчатого вещества. Максимальная микротвёрдость при сварке взрывом достигается не на поверхности соударения, где обычно происходит волнообразование, а на некотором удалении от поверхности сварного шва. Сварку взрывом применяют для соединения плоских, трубчатых и стержневых деталей, а также для получения многослойных материалов и деталей (например, подшипниковых втулок из биметаллических медных антифрикционных сплавов с тонким слоем медного сплава) и композиционных материалов с чередованием твёрдого и мягкого слоёв.

Взрывом можно формовать изделия практически неограниченных размеров. В одну операцию проводят штамповку с отбортовкой, пробивкой отверстий и т.д. Использование энергии взрыва для штамповки привело к значительной модернизации оборудования, позволило создать принципиально новые методы металлообработки (например, подводная штамповка взрывом). Заготовку обычно помещают на матрицу, фланец укрепляют с помощью прижимных устройств, а заряд взрывчатого вещества размещают в определенном положении над заготовкой (рис. 9).

Затем матрицу с зарядом и заготовкой опускают в передающую среду и взрывают заряд. Под действием ударной волны заготовка начинает деформироваться в направлении матрицы. Взрыв создаёт высокие скорости нагружения и деформации штампуемого металла, что способствует улучшению его механических свойств. С помощью взрыва можно получать детали сложной формы со степенью точности, в ряде случаев недостижимой для обычных методов; соединения металлов обладают высокой прочностью и существенными преимуществами перед соединениями, полученными обычными методами.

Упрочнение металлов взрывом происходит при распространении в них достаточно сильных ударных волн. В одном случае это связано с улучшением кристаллической структуры металлов, в другом — с увеличением дефектов кристаллической решётки хрупких материалов. В CCCP взрыв применяют для упрочнения деталей дробилок, гусеничных траков, зубьев ковшей экскаваторов и других деталей. Обработка взрывом сварных швов тонкостенных оболочек из высокопрочных сплавов многократно уменьшает внутреннее напряжение в зоне шва, повышает износоустойчивость. Взрывной способ пригоден для прессования изделий из металлических и неметаллических порошков.

Большие давления при взрыве взрывчатых веществ используются в промышленности для резки и пробивки листового металла, толстых плит и полос. Это достигается пробивкой отверстий взрывом кумулятивных зарядов, контактной резкой с помощью контурных зарядов, резкой с помощью листовых и шнуровых взрывчатых веществ, накладываемых на заготовку. Для получения отверстий в листовых машиностроительных деталях и заготовках применяют контурные заряды; при образовании отверстий в днищах обычно используют сосредоточенные заряды сферической формы. Усилить местное действие взрыва можно с помощью кумулятивного заряда. Взрыванием зарядов взрывчатого вещества разрезают движущийся холодный и горячий металл в линии прокатных станов.

Исторический очерк. Первым известным практическим применением энергии взрыва для разрушения массива горных пород явилось взрывание подземных пороховых зарядов — прообраза камерных зарядов взрывчатого вещества. Наиболее раннее упоминание о подземных пороховых зарядах относится ко времени осады Белграда (1440). В России порох известен с 1389, первые мощные подземные заряды были взорваны в 1552 при осаде Казани. Подземно-минная война успешно велась русскими в 1581-82 под Псковом во время осады его Стефаном Баторием, в 1610 — в Смоленске. В 1548-72 русский специалист Николай Тарло взрыванием пороховых зарядов расчистил фарватер реки Неман. История применения взрыва в горном деле начинается с 8 февраля 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 — в других государствах Европы. В 1687 впервые была выполнена забойка в виде деревянной пробки.

Буровые машины позволяли к конце 17 в. бурить шпуры до глубины 1-1,5 м, что привело к увеличению заряда взрывчатого вещества и применению глиняной забойки взамен пробковой. Использование пороха для дробления горных пород в рудниках (так называемые порохострельные работы) положило конец примитивной огневой, кирковой и клиновой работе по отделению скальных пород от массива. В горной промышленности России порох вначале использовался для добычи руд, уголь разрушался обушком и кайлом. В начале 19 в. отбойка с помощью пороховых зарядов распространяется на каменно-угольные шахты. Развитию взрывного способа отбойки горных пород способствовало изобретение русским учёным П. Л. Шиллингом электрического способа взрывания зарядов взрывчатого вещества(1812) и английским учёным У. Бикфордом огнепроводного шнура (1831). Крупномасштабные взрывы с помощью так называемых исполинских мин (камерных зарядов массой в десятки т взрывчатого вещества) для отбойки строительного камня в карьерах впервые были применены во 2-й половине 19 в. Одновременно отбивалось от массива до 100 тысяч м³ скальных горных пород, которые использовались для укрепления берегов и постройки молов в гаванях Средиземного моря. В Фриули в 1851 и 1857 были взорваны пороховые камерные заряды общей массой 32 т пороха, что позволило отбить 100 тысяч м³ породы. Совершенствование взрывной технологии было тесно связано с разработкой новых взрывчатых веществ и средств бурения.

В начале 60-х гг. порох вытесняется новыми взрывчатыми веществами(в первую очередь жидким нитроглицерином), заряжание которым было опасно из-за его высокой чувствительности и больших технологических трудностей (особенно в трещиноватых породах). Значительное расширение объёмов взрывных работ в горных породах связано с изобретением в 1865 в России гремучертутного медного капсюля-детонатора (Д. И. Андриевский) и в 1867 динамита в Швеции (А. Нобель). С 1871 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. В 1876-85 в США в Нью-Йоркской гавани проведены крупномасштабные взрывные работы (в том числе подводные) для уничтожения рифов. В одном из взрывов суммарная масса взрывчатых веществ в 3680 скважинах составила 23,6 т при среднем расходе 0,47 кг/м³.

В 1879 французкий учёный Месен предложил в качестве средства взрывания шнур с сердцевиной из зернённого пироксилина, явившийся прообразом современного детонирующего шнура. В конце 19 века на нефтяных промыслах России были проведены взрывные работы в скважинах (торпедирование) с целью увеличения нефтеотдачи пластов. В 1912 на промысле "Чемпион" инженер Г. Невский впервые применил взрывной метод увеличения дебита нефти. Увеличение интенсивности и масштабов горного производства в начале 20 в., особенно с развитием открытого способа разработки, потребовало увеличения глубины заложения и величины зарядов взрывчатого вещества; для этого донную часть глубоких (5-6 м) шпуров расширяли взрывами небольших зарядов до придания ей формы котла вместимостью в несколько десятков кг (так называемые котловые заряды, применённые в 1913 при добывании железных руд в Криворожье). В этот период на карьерах США для размещения зарядов взрывчатых веществ начинают использовать скважины диаметром 150-190 мм, глубина 10-15 м, пробурённые ударно-канатными станками.

В 1913 в США предложено изучать строение земной коры с помощью отражённых сейсмических волн, возбуждаемых взрывом; в 1919 для этих же целей Л. Минтроп (Германия) предложил использовать преломлённые волны (см. Сейсмическая разведка). В 1924 в Киркенесе (Норвегия) был произведён один из первых крупных взрывов камерного заряда массой 50 т, которым было отбито 350 тысяч т руды. В 1924 в Гранд-Каунти (США) с помощью взрыва впервые был потушен пожар на газовой скважине. В 1930 в районе Майкопа взрывом заряда взрывчатого вещества был потушен пожар на нефтяной скважине.

Превращение взрывной технологии в многоотраслевое научно-технологическое направление связано с именами советских учёных М. Я. Сухаревского, В. А. Ассонова и др., которые в начале 20-х гг. организовали в России проведение больших объёмов взрывных работ по корчеванию пней, глубокому рыхлению почвы, осушению болот, выемке грунтов под фундаменты, добыче строительного камня, разрушению крупных металлических изделий, уничтожению порогов на реках и др. Рост масштабов взрывных работ в CCCP сдерживался несовершенством буровой техники и её недостаточным количеством, поэтому с 1926 на карьерах CCCP применяется метод камерных зарядов с размещением большого количества взрывчатого вещества(10 т и более) в подземной горной выработке (камере). Сосредоточенные заряды в камерах под названием "минных" получили широкое распространение и при подземной разработке мощных залежей крепких руд в Криворожье (отбойка, посадка целиков, обрушение потолочин). Совершенствование буровых станков позволило увеличить диаметр и глубину скважин на карьерах, перейти от сосредоточенных камерных зарядов к скважинным. В CCCP этот метод впервые применён в 1927 при разработке крепких гранитов на строительстве Днепрогэса и получил быстрое распространение на карьерах; с 1935 метод скважинных зарядов используется при подземной разработке мощных рудных месторождений (апатиты Кольского полуострова и др.).

В 30-х гг. в CCCP взрывами зарядов на выброс впервые в мировой практике проводились капитальные траншеи для вскрытия месторождений полезных ископаемых на Подольском карьере, Коркинском угольном карьере и др., сооружались каналы, котлованы (Н. Н. Богородский, Г. П. Демидюк, Н. Н. Папоротский, А. Н. Самодуров, Ф. В. Селевцев и др.). В 1930-40 в CCCP проведено около 200 взрывов с применением крупных камерных зарядов; для этого были выполнены работы по расчёту сейсмически безопасных расстояний от места взрыва (М. А. Садовский). С 1945 на карьерах США внедряется короткозамедленное взрывание зарядов взрывчатого вещества(впервые осуществлённое в CCCP К. А. Берлиным в 1934 при проходке вертикального ствола) и создаются электродетонаторы с миллисекундными замедлениями. В 50-60-х гг. в CCCP были разработаны основы взрывного штампования металлов (Р. В. Пихтовников, Ю. С. Навагин, О. Д. Антоненков). В 1954 в США В. Алленом и Г. Абрахамсоном был исследован и запатентован (1964) процесс взрывной сварки; это явление было открыто независимо в 1961 в CCCP (А. А. Дерибас и др.).

В середине 50-х годов порошкообразные промышленные взрывчатые вещества заменяются в CCCP простейшими взрывчатыми веществами, не содержащими взрывчатых компонентов, а несколько позже водонаполненными взрывчатыми веществами, что позволило начать механизацию трудоёмких процессов взрывных технологий — заряжания и забойки (см. зарядная машина, забоечная машина). В 60-х годах проведены фундаментальные работы по применению воздушных промежутков в скважинных и камерных зарядах (Н. В. Мельников, Л. Н. Марченко), изучению и внедрению короткозамедленного взрывания (Г. И. Покровский, Г. М. Китач, С. А. Давыдов и др.); внедряется взрывание на неубранную горную массу (буферное взрывание), взрывание на карьерах высоких уступов и короткозамедленное взрывание частей рассредоточенных зарядов в скважине. В 1930-60-х годах в CCCP разрабатываются научные основы и ведутся практические работы по уплотнению взрывом грунтов для строительных целей (Н. М. Сытый, А. А. Вовк, Г. К. Акутин и др.), получают научное обоснование и внедряются системы плоских зарядов взрывчатых веществ (М. А. Лаврентьев, В. М. Кузнецов, А. А. Черниговский и др.), современная методика крупномасштабных (в том числе уникальных) направленных взрывов (М. А. Лаврентьев, Г. И. Покровский, М. А. Садовский, Н. В. Мельников, М. М. Докучаев и др.). Дальнейшее применение массовых взрывов для строительства крупных карьеров, гидротехнических сооружений и противоселевых плотин позволило разработать рациональные методы расчёта основных параметров, организовать работы по практическому осуществлению таких взрывов (Ф. А. Авдеев и др.).