ВЗРЫВНЫ́Е ТЕХНОЛО́ГИИ
-
Рубрика: Технологии и техника
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВЗРЫВНЫ́Е ТЕХНОЛО́ГИИ, технологии, в которых для разрушения, перемещения, изменения структуры, формы и свойств разл. естественных (горные породы, лёд, древесина) и искусственных (металлы, пластмассы, бетон и т. п.) материалов используется энергия взрыва. В. т. 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. Осн. особенности В. т. – соединение в заряде ВВ функций энергоносителя и рабочего органа, быстрота протекания процесса, высокие мощности. В. т. требуют соблюдения спец. правил безопасности.
Исторический очерк
Впервые в мирных целях взрывы были применены в 1548–72, когда взрывом пороховых зарядов был расчищен от камней фарватер р. Неман. Для добывания руд В. т. с использованием пороха были предложены в России в 1617. 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 – и в др. государствах Европы. Более широкому развитию В. т. способствовали: изобретение рос. учёным П. Л. Шиллингом (1812) электрич. 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 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 сер. 19 в. В. т. широко применяют для ликвидации ледяных заторов (р. Нева, 1841), углубления фарватеров (р. Буг, Днепровский лиман, 1858), разрушения подводных рифов (Нью-Йоркская гавань, 1876–85) и т. п. В кон. 19 в. на нефтяных промыслах России были проведены взрывные работы в скважинах (торпедирование) с целью увеличения нефтеотдачи пластов. В 1912 на промысле «Чемпион» инж. Г. Невский впервые применил взрывной метод увеличения дебита нефти. Повышение интенсивности и расширение масштабов горного произ-ва в нач. 20 в., 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 неск. десятков килограмм (т. н. котловые заряды, применённые в 1913 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 в США предложено изучать строение земной коры с помощью отражённых сейсмич. волн, возбуждаемых взрывом; в 1919 Л. Минтроп (Германия) выдвинул идею использовать для этих же целей преломлённые волны. В 1924 в Киркенесе (Норвегия) произведён один из первых крупных взрывов камерного заряда (350 тыс. т руды было отбито зарядом массой в 50 т). В 1924 в Гранд-Каунти (США) с помощью взрыва впервые был потушен пожар на газовой скважине; в 1930 в районе Майкопа В. т. были применены для ликвидации пожара на нефтяной скважине. В 1930-х гг. 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 сер. 20 в. В. т. широко применяют для уплотнения грунтов при строительстве объектов.
В 1950–60-х гг. в СССР разработаны основы взрывного штампования металлов, в 1954 в США был впервые исследован процесс взрывной сварки. В кон. 20 в. были проработаны и реализованы варианты использования ядерных зарядов для разрушения горной породы, но пока они не нашли практич. применения, в осн. из-за опасности заражения окружающей среды радиоактивными продуктами ядерного взрыва.
Область применения
В горной промышленности В. т. применяют для разведки полезных ископаемых, вскрытия и разработки месторождений. В нефте- и газодобывающей пром-сти В. т. 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 В. т. используют для планировки строит. площадок, рыхления мёрзлых и скальных грунтов, удаления валунов и пней, для образования выемок, котлованов, насыпных и камненабросных плотин, для сооружения дорожных и гидротехнич. тоннелей, разрушения врем. перемычек и т. п. В. т. применяют для обрушения подлежащих сносу зданий, разрушения фундаментов и др. В водном хозяйстве В. т. 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 т. п. В полярных условиях с помощью В. т. 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. В. т. успешно внедрена для обработки металлов (для сварки, штамповки, упрочнения и пр.). Под действием ударной волны полимеризуются мономеры, не поддающиеся полимеризации др. методами (напр., дифенилацетилен).
При всём многообразии В. т. в осн. 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, механич. дробления на обогатит. фабриках и т. п. В. т. применяют для проведения выработок, подземной добычи угля или руд, открытой разработки месторождений.
При проведении горных выработок В. т. 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-механич. 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 осн. скважинные заряды. При разработке рудная залежь делится на блоки, представляющие собой, как правило, параллелепипеды разл. 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 кон. 20 в. 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 цилиндрич. полости, создаваемые в блоке горного массива взрывными методами. Этот метод существенно снижает количество вспомогательных горных выработок, проходимых при традиц. методах взрывания.
Осн. объёмы твёрдого полезного ископаемого добывают при открытой разработке месторождений (на карьерах и разрезах), используя скважинные или шпуровые заряды разл. конструкций. Взрывные работы ведутся на уступах выс. 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 вспомогат. 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.).
В. т. предполагают расчёт зон безопасности с учётом разл. 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 динамич. взрывная нагрузка приводит к необратимому их сжатию. Практич. 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 минер. дно болот. В момент взрыва трясина под песчаной отсыпкой отжимается в стороны – насыпь опускается на минер. 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 ирригац. сооружений.
Обработка материалов взрывом. Взрывное воздействие применяют для увеличения поверхностной твёрдости, износостойкости и прочности деталей из сталей, алюминиевых и титановых сплавов и др. металлич. материалов. В пром. 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 металлич. тел, образующих при соударении прочное соединение. Сварку взрывом используют для изготовления многослойных (чаще всего биметаллических) листов, полос, цилиндрич. изделий, композиционных материалов волокнистого строения из разнообразных металлов и сплавов, в т. ч. и тех, сварка которых др. способами затруднительна. В. т. 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 разл. 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.
В. т. применяют при изготовлении сверхтвёрдых материалов, в т. ч. для получения синтетич. алмазов. Разработаны технологич. схемы ударно-волнового (динамического) и детонационного синтеза сверхтвёрдых материалов. Одним из перспективных методов динамич. 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 темп-ра 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 спец. конструкции. Размеры получаемых частиц находятся в пределах 0,05–5 мкм.