Взрывчатые вещества и действие взрыва в среде

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЗРЫВА И ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Краткий обзор истории развития взрывного дела

История развития взрывных работ непосредственно связана с созданием, производством ВВ и средств их инициирования, созданием средств бурения, разработкой классификации горных пород для оценки их сопротивляемости разрушению при бурении и взрывании, разработкой теории детонации ВВ и разрушения горных пород, развитием промышленности по добыче скальных полезных ископаемых.

Первым известным взрывчатым веществом был черный порох, использовавшийся с давних пор в Китае для фейерверков, а с XI в. арабами в военных целях. Примерно в XIV в. чёрный порох стали применять в Западной Европе и России для огнестрельного оружия и разрушения военных укреплений.

Первый завод по промышленному изготовлению пороха на Руси был построен в Москве в 1494 г. В 1552 г. при Иване Грозном был взорван заряд из 48 бочек чёрного пороха для разрушения крепостных стен Казани.

Горная летопись свидетельствует, что порох в горном деле начали применять в 1627 г. в Венгрии. В России для гражданских целей порох впервые был использован для расчистки русла р. Неман в 1548—1572 гг.

Чёрный порох господствовал свыше пяти веков, вплоть до XIX в. Взрывные работы с применением чёрного пороха проводились следующим образом. Заряд пороха засыпали в шпур и вводили в заряд железный прут так, чтобы его конец выходил из шпура. Затем шпур забивали глиной, прут вынимали, а образованное отверстие в забойке заполняли порохом, создавая при этом огнепроводный канал. В устье шпура размещали кусок скомканной бумаги, обеспечивающей задержку от момента её поджигания до воспламенения пороха. Для воспламенения зарядов применялись камышовые трубки, заполненные порохом.

Бурное развитие промышленности во второй половине XIX в. способствовало созданию и производству новых ВВ и средств инициирования. В 1800 г. в Англии Говардом была открыта гремучая ртуть. В 1812 г. в России П. Л. Шилинг впервые применил электрический воспламенитель для взрывания зарядов; в 1831 г. в Англии У. Бикфорд изобрёл огнепроводный шнур, который с некоторыми изменениями применяется до сих пор; в 1845 г. в Германии Ф. Шенбайн открыл коллоидный хлопок; в 1847 г. в Италии.

A. Собрсро изобрел нитроглицерин; в 1853 г. в России Н. Н. Зинин и.

B. Ф. Пструшсвский предложили ВВ на основе нитроглицерина, аналогичное по составу динамитам, которые запатентованы в 1864 г. шведом А. Нобелем. В 1865 г. капитаном Д. И. Андриевским предложен первый детонатор в деревянной гильзе; в 1867 г. А. Нобель запатентовал детонатор в виде заряда гремучей ртути в медной гильзе; в 1863 г. был впервые получен тротил, взрывчатые свойства которого были определены только в 1891 г., а производство ВВ в России началось с 1909 г.; в 1867 г. шведскими химиками И. Ольсеном и И. Норбином были предложены и запатентованы ВВ на основе аммиачной селитры, близкие по составу современным аммиачносслитренным ВВ. Нобель купил этот патент и более чем на 20 лет задержал внедрение аммиачно-сслитрснных ВВ в горную промышленность. Массовое производство аммонитов в бывшем СССР началось в 1929 г.

Для инициирования зарядов в 1879 г. был предложен детонирующий шнур, хлопчатобумажная оболочка которого была начинена гранулированным пироксилином.

В 1885 г. в качестве ВВ начали применять пикриновую кислоту, которую длительное время до этого использовали как краситель тканей. С 1877 г. применяется тетрил, который в настоящее время является основным вторичным инициирующим ВВ.

В 1897 г. был открыт гексоген, а в 1920 г. установлено, что это соединение является ВВ. Высокие взрывчатые свойства, химическая стойкость и сравнительно простая технология производства привели к тому, что гексоген стали производить в больших количествах во многих странах мира.

В 1891 г. был синтезирован тэн, представляющий собой азотнокислый эфир многоатомного спирта пентаэритрита. Из нитроэфиров эго наиболее стойкое взрывчатое вещество. Тэн является одним из мощных ВВ, для производства которого имеется практически неограниченная сырьевая база. В настоящее время тэн применяют главным образом при производстве электродетонаторов, промежуточных детонаторов и детонирующего шнура.

В 1892 г. Д. И. Менделеев разработал составы и технологию изготовления бездымных порохов. В 1900 г. был предложен комбинированный капсюль-детонатор из гремучей ртути и тротила. С 1913 г. в капсюляхдетонаторах стали использовать азид свинца и тснсрсс. С 30-х гг. в бывшем СССР происходит постепенная замена нитроглицериновых динамитов на более безопасные ВВ на основе аммиачной селитры: аммониты (смесь тротила, аммиачной селитры и горючего) и динамоны (смесь селитры и горючего). Эти ВВ к концу 50-х гг. стали основными для карьеров.

Большая заслуга в разработке аммонитов и динамонов принадлежит канд. техн. наук В. А. Ассонову. Динамоны, известные с 30-х гг., особенно широко применялись в период Великой Отечественной войны, когда страна испытывала недостаток в ВВ. С 1953 г. динамоны нс применяются из-за расслаиваемое™ заряда в скважине при заряжании. К применению простейших ВВ, не содержащих тротил, отечественная промышленность приступила снова в конце 50-х гг. на основе работ академика Н. В. Мельникова, профессора Г. П. Демидюка и других специалистов, исследовавших взрывчатые свойства смеси гранулированной аммиачной селитры и солярового масла, получившей название игданит. Принципиальным отличием игданитов от ранее применявшихся ВВ явилось их изготовление из невзрывчатых компонентов непосредственно на горных предприятиях.

Разработкой и внедрением оксиликвитов занималась группа ученых и инженеров — Л. Н. Марченко, М. М. Фугзан, К. И. Иванов и др. Непрерывный рост объёмов работ на новостройках страны после войны обусловил новые разработки в области создания взрывчатых веществ и широкое их внедрение в промышленность.

С середины 50-х гг. в СССР была начата разработка группы более совершенных аммиачно-селитрепных ВВ заводского изготовления: мощных скальных аммонитов с добавками гексогена, грубодисперсных гранулитов и граммонитов (ранее называвшихся зерногранулитами), водосодержащих акватолов, ифзанитов и горячельющихся ВВ. Пониженная по сравнению с порошкообразными ВВ чувствительность, хорошая сыпучесть и незначительное пыленис при заряжании гранулированных ВВ позволили успешно решать задачи комплексной механизации взрывных работ на карьерах и рудниках. Для инициирования зарядов ВВ пониженной чувствительности созданы промежуточные детонаторы в виде прессованных или литых тротиловых шашек. Для взрывания обводнённых массивов с проточной водой созданы гранулированные тротил (гранулотол) и алюмотол. Разработаны и широко внедрены пиротехнические замедлители КЗДШ для короткозамедленного взрывания нескольких зарядов с помощью ДШ. Разработаны более совершенные детонирующие шнуры в пластиковой оболочке.

Первые известные эмпирические зависимости по расчёту величин зарядов взрывчатых веществ были предложены в 1669 г. французским маршалом и учёным Вобаном. Формулы, выведенные для условий взрывания грунтов и образования воронок определённых размеров, в дальнейшем стали применять в горном деле.

В 1749 г. М. В. Ломоносов впервые объяснил явление взрыва и его действие на окружающую среду, а первый труд в России по технологии изготовления ВВ опубликовал в 1799 г. А.А. Мусин-Пушкин. В 1871 г. М. М. Боресков на основе работ М. М. Фролова предложил формулу для расчёта зарядов на выброс, которая широко используется до настоящего времени.

В 1918 г. при Главном военно-инженерном управлении РККА были созданы первые команды взрывников, на основе которых был организован Взрывштаб ГВИУ. Через некоторое время он был реорганизован во Взрывсельпром, на базе которого в 1931 г. была создана одна из ведущих организаций по буровзрывным работам в строительстве — трест Союзвзрывпром.

Советские учёные — академики Н. Н. Семенов, Я. Б. Зельдович, Ю. Б. Харитон, М. А. Садовский, М. А. Лаврентьев, Н. В. Мельников, чл.-корр. АН СССР Л. Я. Компанеец и другие — выполнили цикл фундаментальных работ по описанию сущности детонации зарядов ВВ, действию взрыва в непосредственной близости от заряда и на разных расстояниях от него. Большой вклад в анализ физических явлений, связанных с действием взрыва на горную породу, а также в создание методов расчёта зарядов для различных условий сделали д-ра техн. наук А. Ф. Беляев, Ф. А. Баум, Б. М. Шехтер, К. К. Андреев, Г. П. Демидюк, М. М. Докучаев, Э. О. Миндели и др.

Интересные работы по моделированию действия взрыва методами электрогидродипамических аналогий (ЭГДА) выполнены профессором О. Е. Власовым.

Фундаментальные исследования механизма разрушения горных пород взрывом проведены профессором Г. И. Покровским и развиты в трудах профессоров А. Н. Ханукаева, В. Н. Мосинца, Б. Н. Кутузова, Ф. И. Кучерявого, М. Ф. Друкованого, чл.-корр. АН УССР Э. И. Ефремова и др.

Под руководством профессора И. А. Остроушко выполнен комплекс работ, связанных с механизацией заряжания скважин и камер различными ВВ.

Неоспорим приоритет советских ученых и инженеров в разработке теории и применении крупных взрывов на выброс и сброс в горном деле, гидротехническом и мелиоративном строительстве. Большую работу по развитию и совершенствованию взрывов на выброс проводил Союзвзрывпром.

Значительный вклад в теорию взрыва и инженерную практику взрывных работ внесли зарубежные ученые М. Кук, Ч. Норрсн (США), К. Хино (Япония), У. Лангсфорс, Р. Густафссон (Швеция).

В настоящее время многие институты и специализированные лаборатории занимаются исследованиями в области взрывного дела.

Ведущая роль в развитии взрывного дела принадлежит ИГД им. А. А. Скочинского, Московскому и Ленинградскому горным институтам, Днепропетровскому институту геотехнической механики, Центральной специализированной лаборатории бывшего треста Союзвзрывпром и другим организациям. Координация научных работ в области взрывного дела и разработка основных направлений осуществляются Межведомственной комиссией по взрывному делу.

В середине XIX в. составлена первая классификация горных пород рудников Колывано-Воскресенских заводов по трудоёмкости их добычи (добываемое™).

В 1911 г. профессор М. М. Протодьяконов в журнале «Горнозаводское дело» опубликовал научно обоснованную классификацию горных пород, которая не потеряла своего практического значения до сих пор.

Большая работа в области классификации горных пород по буримости и взрываемости проделана в 40-х гг. под руководством профессора А. Ф. Суханова. Эта работа и составленные общие классификации пород по буримости и взрываемости явились методической основой для составления местных и ведомственных классификаций пород по буримости и взрываемости, предназначенных для нормирования буровзрывных работ на различных предприятиях.

Фундаментальные работы по классификации горных пород по трудности их разрушения при бурении, взрывании и других процессах добычи выполнены под руководством академика В. В. Ржевского. На основе этой классификации (по значениям пределов прочности па сжатие, сдвиг, растяжение, плотность породы и т. д.) представляется возможным определить показатель трудности разрушения породы при различных технологических процессах (бурение, взрывание) и дать количественное сравнение различных разрабатываемых пород.

Для образования шпуров и скважин в массивах горных пород до начала XIX в. применялось ручное бурение, которое с конца XVII в. начинает постепенно заменяться машинами. В 1861 г. при проведении тоннеля в Альпах впервые применены поршневые ударные машины, повысившие скорость бурения более чем в 10 раз по сравнению с ручным. В конце XIX в. изобретены молотковые ударные машины — прообразы современных бурильных молотков. К этому же времени были созданы первые машины вращательного действия — электросвёрла. В дальнейшем создастся оборудование для облегчения труда бурильщика: распорные колонки, пневмоподцержки, автоподатчики, буровые каретки. С 30-х гг. в СССР начаты работы по созданию станков для бурения скважин при отбойке руд в подземных условиях.

Первый станок для вращательного бурения скважин диаметром до 150 мм создан в 1935 г. А. А. Миняйло. В 1938 г. А. К. Сидоренко предложил способ бурения скважины погружными бурильными молотками. В 1949;1950 гг. на подземных рудниках С. П. Юшко испытал станок с погружными пневмоударниками, вращение которого осуществлялось буровым ставом с поверхности.

В 1954 г. ИГД Сибирского отделения АН СССР и Кузнецким металлургическим комбинатом создан станок БА-100, при работе которого в качестве промывочной жидкости впервые применена воздушно-водяная смесь, а в 1959 г. создан полуавтоматический станок НКР-100 для бурения скважин диаметром 80… 105 мм глубиной до 50 м. Начиная с 60-х гг. в подземных рудниках до 50 % взрывных скважин бурят погружными пневмоударниками. С 1950 г. разрабатывается и внедряется бурение скважин шарошечными долотами диаметром 145 мм, а с 60-х гг. — станки вращательно-ударного бурения скважин диаметром 60…70 мм, пневматические, затем гидравлические. С начала XX в. на карьерах стали применять станки ударно-канатного бурения, которые до 50-х гг. являлись основными при бурении взрывных скважин. В 40−50-х гг. начали применять вращательное шнековое, а с 60-х годов — шарошечное бурение. Способ шарошечного бурения стал основным на карьерах. Одновременно испытывалось огневое бурение скважин как самостоятельный способ, а затем в комбинации с шарошечным для расширения нижней части скважин. С 60-х гг. па карьерах применяют погружные пневмоударники для бурения скважин диаметром 105… 160 мм.

В тесной связи с совершенствованием взрывчатых материалов и средств бурения находится развитие технологии взрывных работ.

С 1952 г. в связи с разработкой средств короткозамедленного взрывания на карьерах начинает внедряться короткозамсдлсннос взрывание, которое обеспечило переход от однорядного взрывания к многорядному, способствовало увеличению масштабов взрывов и улучшению качества дробления пород. На подземных горных работах внедрение короткозамедленного взрывания началось с 1960 г.

Проводятся систематические исследования по разработке и изучению методов регулирования степени дробления горных пород взрывом. Изучается изменение степени дробления различных по трещиноватости и крепости массивов горных пород в зависимости от диаметра заряда, расхода и типа ВВ, сетки расположения и конструкции зарядов, интервала и схемы замедления, точки инициирования и т. д. Эти работы являются научно-инженерной основой для выполнения взрывов с целью получения заданной крупности дробления массива и параметров развала горной массы. Взрывание высоких уступов в зажатой среде является одним из методов интенсификации дробления пород взрывом, решающим в перспективе проблему применения поточной технологии при разработке скальных пород.

Технология массовой отбойки руд скважинными зарядами диаметром 100…200 мм и более в сочетании с короткозамедленным взрыванием позволила за короткий промежуток времени выполнить грандиозные планы развития чёрной и цветной металлургии страны.

Начиная с 70-х гг. на большинстве крупных рудников началось широкое внедрение средств комплексной механизации заряжания скважин, шпуров и камер гранулированными простейшими взрывчатыми веществами.

При подземной разработке рудных месторождений дальнейшее развитие преимуществ, обусловленных заменой шпуровой отбойки скважинной, связано с переходом на скважины диаметром 100… 125 мм и даже до 200 мм. Перспективным является взрывание в зажиме на очистных работах и проходке восстающих.

Резкий рост добычи руд черных и цветных металлов в послевоенный период потребовал внесения серьезных новшеств и в технологию взрывных работ при проведении выработок. Внедрялись новые взрывчатые вещества и средства инициирования, контурное взрывание зарядов, что обеспечило повышенную устойчивость пород, окружающих выработку, и резко снизило законтурные разрушения, созданы новые средства механизации заряжания шпуров и скважин, новые схемы их размещения в забое. Внедрение буровых кареток позволило перейти па проходку глубокими заходками (до 3 м) с призматическим врубом. Внедрение при проходке угловых заходок обеспечило увеличение коэффициента использования шпура.

В практику работы горных предприятий широко внедряется система непрерывной корректировки параметров отбойки с учетом взрываемости горных пород, подлежащих выемке, на основе производственного анализа результатов предыдущих взрывов.

Всё это позволило значительно повысить скорости проведения выработок и, обеспечив горные предприятия необходимыми запасами подготовленных для отбойки руд, существенно увеличить объёмы добычи полезных ископаемых в стране.

Контрольные вопросы

• 1. Что Вы знаете об истории развития и о применении взрывчатых веществ в горном деле?
• 2. Каков вклад советских учёных в теорию и практику взрывного дела?
• 3. Как развивалась буровая техника?