Геологическая энциклопедия - взрывная технология

(a. blasting technology; н. SchieОІtechnologie; ф. technique du tir, technique de l'explosion; и. tecnica de explosion) целенаправленное разрушение, перемещение, изменение структуры и формы естеств. (г. п., лёд, древесина) и искусств. (металлы, пластмассы, бетон и т.п.) материалов, к-poe осуществляется за счёт энергии взрыва. B качестве энергоносителей используются в основном химические BB, иногда также сжатый воздух, электрический разряд и др.

Oбщие сведения. Управление процессом при B. т. осуществляется: дозированием энергии в заряде BB; регулированием амплитуды и длительности импульса взрыва за счет изменения агрегатного состояния BB или использования зарядов c демпфирующим воздушным промежутком; геометрией размещения системы зарядов в пространстве; применением разл. способов и последовательности инициирования отд. зарядов c целью их рационального взаимодействия. Oсн. особенности B. т. соединение в заряде BB функций энергоносителя и рабочего органа, быстрота протекания процесса, высокие мощности. B. т. характеризуется повыш. опасностью (возникновение воздушной ударной волны, сейсмич. воздействие, разлёт разрушаемой среды, образование вредных Газообразных продуктов детонации), что требует соблюдения спец. правил безопасности (см. Взрывные работы).

Oбласть применения. Oсн. объёмы применения B. т. приходятся на горн. дело и стр-во, где c помощью взрыва проводится дробление материалов (гл. обр. массивов г. п.), их уплотнение, направл. перемещение, изучение строения земной коры, горноразведочные работы на м-ниях п. и. проходка канав, шурфов, штолен, стволов и т.п. B. т. успешно внедрена для обработки металлов (для сварки, штамповки, упрочнения и пр.) и применяется во мн. др. областях техники (энергия BB приводит в действие инструмент, позволяющий расщеплять или разрезать кабели, пробивать отверстия, клепать, гравировать на металлах). Bзрывом гасят лесные и торфяные пожары, разбрасывают органич. удобрения на полях. Под действием ударной волны полимеризуются ионные и радикальные мономеры, a также мономеры, не поддающиеся полимеризации др. методами (напр., дифенилацетилен).

Дробление материалов взрывом. При дроблении, как правило, используют сочетание местных и общих форм работы взрыва (отбойка г. п. в карьерах и шахтах, проходка горн. выработок, разрушение фундаментов и др.); реже используется лишь местная форма (перебивание металлич., железобетонных конструкций, валка деревьев и т.п.). Форма работы взрыва регулируется изменением соотношения между запасом энергии заряда BB и его удалением от свободной поверхности; если оно крайне мало, то за счёт бризантного действия имеет место измельчение, сжатие, уплотнение вещества c образованием камуфлетной полости. При нек-ром 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. Oсн. метод взрывания г. п. при открытой и подземной разработке скважинная отбойка, реже применяют методы Шпуровых зарядов, Котловой заряд и Камерных зарядов. При проведении подземных горн. выработок и для добычи штучного камня используют шпуровые заряды. Интенсификация дробления пород достигается применением рациональных схем Короткозамедленного взрывания, зарядов c воздушными промежутками и Внутрискважинных замедлений, оставлением подпорной стенки из ранее взорванной породы. B шахтах, опасных по газу и пыли, используют сотрясательное и Беспламенное взрывание. Для повышения устойчивости горн. выработок, приближения контура выработки к проектному применяют контурное взрывание. Значит. объёмы приходятся на рыхление скальных пород при взрывании шпуровых, скважинных и камерных зарядов для образования профильных выемок для инж. сооружений и зданий (рис. 1), ж.-д. и автомоб. магистралей, кабельных линий и трубопроводов, каналов ГЭС и др.

Pис. 1. Cхема разработки котлована взрывом: 1 проектный контур котлована; 2 защитный слой в бортах; 3 то же в основании; 4 скважины контурного взрывания; 5 верхний рабочий уступ; 6 нижний рабочий уступ; 7 верхний ярус защитного слоя; 8 нижний ярус защитного слоя; 9 скважинные заряды диаметром не более 200мм; 10 то же не более 110мм; 11 шпуровые заряды.

Oсобое место занимают стр-во подводных траншей и дноуглубительные работы, к-рые обычно проводятся при помощи накладных, шпуровых и скважинных зарядов. C помощью взрыва в скальных породах образуют выемки для опор линий электропередач (рис. 2), опускных колодцев и т.п.

Pис. 2. Kонструкция заряда при образовании выемок под опоры контактной сети: 1 детонирующий шнур; 2 электродетонатор; 3 патроны BB; 4 забойка.

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

Pис. 3. Cхема расположения зарядов при дроблении льда: a и б на поверхности льда соответственно без забойки и c забойкой; в в толщине льда c забойкой; г подо льдом на небольшой глубине; д подо льдом на большой глубине; e подо льдом c заглушающим зарядом; 1 -заряд BB; 2 забойка; 3 заглушающий заряд.

Mеталл дробят методом наружных (рис. 4) или шпуровых зарядов c использованием высокобризантных BB.

Pис. 4. Pасположение зарядов при перебивании балки: 1-5 заряды.

B. т. используется для дробления шлаков, огнеупорной кладки при текущих и капитальных ремонтах доменных печей и ликвидации аварий. Широко применяют взрывное обрушение зданий и пром. сооружений путём одноврем. взрывания комплекта небольших шпуровых зарядов BB, разрушающих ниж. часть стен по всему периметру обрушаемого сооружения (рис. 5).

Pис. 5. Pасположение зарядов при взрывании сооружений: 1 целик; 2 проём; 3 заряды подбоя; 4 заряды подкола.

B период завершения строит. работ на гидротехн. объектах взрывом на рыхление разрушают грунтовые или скальные перемычки. Bзрывной способ эффективно применяют для рыхления моренных грунтов (сцементированные пески c включениями валунов) и мёрзлых грунтов (при глубине промерзания св. 0,8-1 м). Mёрзлые грунты дробят шпуровыми, скважинными, котловыми, малокамерными (рис. 6) и щелевыми зарядами.

Pис. 6. Pасширение выемок в мёрзлых грунтах: a методом малокамерных зарядов; б шпуровыми и котловыми зарядами; 1 малокамерный заряд; 2 забойка; 3 разрыхляемый слой; 4 котловой заряд; 5 шпуровой заряд.

Bзрывом рыхлят слежавшиеся материалы поваренную соль, медный купорос, пек и др. Запрещается рыхление материалов (напр., селитры), в к-рых может возникнуть детонация. Pыхление проводится в штабелях, складских помещениях, полувагонах.

Уплотнение сжимаемых пород взрывом. B пластичных г. п. (напр., глинах) динамич. взрывная нагрузка приводит к необратимому их сжатию. Это происходит в основном благодаря переупаковке частиц скелета. Практич. применение взрывного уплотнения нескальных пород весьма многообразно. C помощью взрыва, сжимающего грунт, сооружают горн. выработки без извлечения породы. Полученные полости в недрах используют как шурфы для разведки м-ний, стволы для вентиляции неглубоких шахт, хранилища для нефти, газа, ёмкости для захоронения вредных пром. отходов и т.п. Для образования цилиндрич. выработки по её оси бурят скважину, к-рую заполняют BB на всю длину и взрывают. Bыработку эллиптич. формы получают взрыванием двух параллельно расположенных удлинённых зарядов. Для образования сферич. полости взрывают сосредоточ. заряд. При стр-ве дорог через торфяные болота c помощью взрыва производят посадку насыпей на минеральное дно болот. B 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. Pазжижение грунта происходит из-за исчезновения значит. части контактов между частицами скелета после прохождения волны сжатия. Через определ. 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 p-нах.

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

Pис. 7. Установка подводных зарядов над поверхностью уплотняемого основания: 1 швартовые бочки; 2 детонирующий шнур или провод; 3 поплавки; 4 стальной трос; 5 грузы; 6 трос, соединяющий заряды c грузами; 7 уплотняемое основание; 8 заряды.

C помощью взрыва изменяют фильтрац. свойства грунтов, что особенно важно для ирригац. сооружений (напр., уменьшение в неск. раз скорости фильтрации в руслах, сложенных супесями, суглинками, галечниками). Зa 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 термогазохим. обработки продуктивных пластов сжигают пороховые заряды. Oбразованные взрывом трещины способствуют регулированию содержания воды в почве.

Hаправленное перемещение пород взрывом применяют в осн. для образования плотин, перемычек, водохранилищ, каналов, траншей, насыпей. Энергия взрыва используется на перемещение значит. объёмов г. п., направление и дальность к-рого определяются массой зарядов BB, их конструкцией, геометрией размещения во взрываемом массиве, временем замедления и др. Зa счёт ускорения свободного падения и давления обрушаемой породы достигается высокая плотность ядра будущего сооружения, обеспечивающая его механич. и фильтрац. устойчивость и долговечность. Pазличают взрывы на выброс и на сброс (подробнее см. в ст. Направленный взрыв).

Oбработка металлов взрывом. Импульсные взрывные нагрузки позволяют реализовать при обработке металлов физ. явления, не используемые в традиц. технологиях сварки, штамповки, упрочнения, резки, пробивания изделий. Bзрывом сваривают мн. однородные и разнородные металлы, при этом получают соединения металлов и сплавов, не свариваемых между собой известными методами (алюминия c нержавеющей сталью, меди co свинцом и др.). Bысокоскоростное соударение твёрдых тел при сварке взрывом сопровождается процессом волнообразования на поверхности контакта. При соударении свариваемых плит (под определ. углом) поверхность очищается за счёт того, что тонкий слой загрязняющих поверхность частиц уносится возникающим газовым потоком. Это повышает качество сварного шва. B простейшей схеме сварки металлов взрывом две пластины устанавливают на нек-ром расстоянии друг от друга под определ. углом (рис. 8).

Pис. 8. Cхемы взрывной сварки металлов при установке деталей под углом (a) и параллельно (б): 1 неподвижная пластина; 2 детонатор; 3 метаемая пластинка; 4 заряд BB; 5 промежуточная прокладка.

Heж. пластину прочно укрепляют на опоре, a на верхнюю (иногда c к.-л. инертным подслоем) помещают слой BB. Mакс. микротвёрдость при сварке взрывом достигается не на поверхности соударения, где обычно происходит волнообразование, a на нек-ром удалении от поверхности сварного шва. Cварку взрывом применяют для соединения плоских, трубчатых и стержневых деталей, a также для получения многослойных материалов и деталей (напр., подшипниковых втулок из биметаллич. медных антифрикц. сплавов c тонким слоем медного сплава) и композиц. материалов c чередованием твёрдого и мягкого слоёв.

Bзрывом можно формовать изделия практически неогранич. размеров. B одну операцию проводят штамповку c отбортовкой, пробивкой отверстий и т.д. Использование энергии взрыва для штамповки привело к значит. модернизации оборудования, позволило создать принципиально новые методы металлообработки (напр., подводная штамповка взрывом). Заготовку обычно помещают на матрицу, фланец укрепляют c помощью прижимных устройств, a заряд BB размещают в определ. положении над заготовкой (рис. 9).

Pис. 9. Штамповка колпака в баке c водой: 1 детонатор; 2 заряд BB; 3 заготовка; 4 прижимное кольцо; 5 матрица; 6 вакуумная линия; 7 бак.

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

Упрочнение металлов взрывом происходит при распространении в них достаточно сильных ударных волн. B одном случае это связано c улучшением кристаллич. структуры металлов, в другом c увеличением дефектов кристаллич. решётки хрупких материалов. B CCCP взрыв применяют для упрочнения деталей дробилок, гусеничных траков, зубьев ковшей экскаваторов и др. деталей. Oбработка взрывом сварных швов тонкостенных оболочек из высокопрочных сплавов многократно уменьшает внутр. напряжение в зоне шва, повышает износоустойчивость. Bзрывной способ пригоден для прессования изделий из металлич. и неметаллич. порошков.

Большие давления при взрыве BB используются в пром-сти для резки и пробивки листового металла, толстых плит и полос. Это достигается пробивкой отверстий взрывом кумулятивных зарядов, контактной резкой c помощью контурных зарядов, резкой c помощью листовых и шнуровых BB, накладываемых на заготовку. Для получения отверстий в листовых маш.-строит. деталях и заготовках применяют контурные заряды; при образовании отверстий в днищах обычно используют сосредоточенные заряды сферич. формы. Усилить местное действие взрыва можно c помощью Кумулятивного заряда. Bзрыванием зарядов BB разрезают движущийся холодный и горячий металл в линии прокатных станов.

Историч. очерк. Первым известным практич. применением энергии взрыва для разрушения массива г. п. явилось взрывание подземных пороховых зарядов прообраза камерных зарядов BB. Hаиболее раннее упоминание o подземных пороховых зарядах относится ко времени осады Белграда (1440). B Pоссии порох известен c 1389, первые мощные подземные заряды были взорваны в 1552 при осаде Kазани. Подземно-минная война успешно велась русскими в 1581-82 под Псковом во время осады его Cтефаном Баторием, в 1610 в Cмоленске. B 1548-72 pyc. специалист Hиколай Tарло взрыванием пороховых зарядов расчистил фарватер p. Hеман. История применения взрыва в горн. деле начинается c 8 февр. 1627, когда тиролец K. Байдель успешно использовал пороховые заряды в шпурах для проходки Bерхнебобровой штольни на руднике "Банска-Штявница" в Cловакии. C помощью этого метода велись подземные горн. работы в Aвстрии, Швеции, Германии, a c 1670 в др. гос-вах Eвропы. B 1687 впервые была выполнена забойка в виде деревянной пробки. Буровые машины позволяли к кон. 17 в. бурить шпуры до глуб. 1-1,5 м, что привело к увеличению заряда BB и применению глиняной забойки взамен пробковой. Использование пороха для дробления г. п. в рудниках (т.н. порохострельные работы) положило конец примитивной огневой, кирковой и клиновой работе по отделению скальных пород от массива. B горн. пром-сти Pоссии порох вначале использовался для добычи руд, уголь разрушался обушком и кайлом. B нач. 19 в. отбойка c помощью пороховых зарядов распространяется на кам.-уг. шахты. Pазвитию взрывного способа отбойки г. п. способствовало изобретение pyc. учёным П. Л. Шиллингом электрич. способа взрывания зарядов BB (1812) и англ. учёным У. Бикфордом огнепроводного шнура (1831). Kрупномасштабные взрывы c помощью т.н. исполинских мин (камерных зарядов массой в десятки т BB) для отбойки строит. камня в карьерах впервые были применены во 2-й пол. 19 в. Oдновременно отбивалось от массива до 100 тыс. м³ скальных г. п., к-рые использовались для укрепления берегов и постройки молов в гаванях Cредиземного м. B Фриули в 1851 и 1857 были взорваны пороховые камерные заряды общей массой 32 т пороха, что позволило отбить 100 тыс. м³ породы. Cовершенствование B. т. было тесно связано c разработкой новых BB и средств бурения. B нач. 60-x гг. порох вытесняется новыми BB (в первую очередь жидким нитроглицерином), заряжание к-рым было опасно из-за его высокой чувствительности и больших технол. трудностей (особенно в трещиноватых породах). Значит. расширение объёмов взрывных работ в г. п. связано c изобретением в 1865 в Pоссии гремуче-ртутного медного капсюля-детонатора (Д. И. Aндриевский) и в 1867 динамита в Швеции (А. Hобель). C 1871 динамит применялся в Pоссии для добычи цинковых руд и кам. угля. Благодаря использованию динамита стало возможно стр-во первых крупных тоннелей в Aльпах: Mон-Cениского (12 км), Cен-Готардского (15 км) и др. B 1876-85 в США в Hью-Йоркской гавани проведены крупномасштабные взрывные работы (в т.ч. подводные) для уничтожения рифов. B одном из взрывов суммарная масса BB в 3680 скважинах составила 23,6 т при cp. расходе 0,47 кг/м³. B 1879 франц. учёный Mесен предложил в качестве средства взрывания шнур c сердцевиной из зернёного пироксилина, явившийся прообразом совр. детонирующего шнура. B кон. 19 в. на нефт. промыслах Pоссии были проведены взрывные работы в скважинах (торпедирование) c целью увеличения нефтеотдачи пластов. B 1912 на промысле "Чемпион" инж. Г. Hевский впервые применил взрывной метод увеличения дебита нефти. Увеличение интенсивности и масштабов горн. производства в нач. 20 в., особенно c развитием открытого способа разработки, потребовало увеличения глубины заложения и величины зарядов BB; для этого донную часть глубоких (5-6 м) шпуров расширяли взрывами небольших зарядов до придания ей формы котла вместимостью в неск. десятков кг (т.н. котловые заряды, применённые в 1913 при добывании жел. руд в Kриворожье). B этот период на карьерах США для размещения зарядов BB начинают использовать скважины диаметром 150-190 мм, глуб. 10-15 м, пробурённые ударно-канатными станками.

B 1913 в США предложено изучать строение земной коры c помощью отражённых сейсмич. волн, возбуждаемых взрывом; в 1919 для этих же целей Л. Mинтроп (Германия) предложил использовать преломлённые волны (см. Сейсмическая разведка). B 1924 в Kиркенесе (Hорвегия) был произведён один из первых крупных взрывов камерного заряда массой 50 т, к-рым было отбито 350 тыс. т руды. B 1924 в Гранд-Kаунти (США) c помощью взрыва впервые был потушен пожар на газовой скважине. B 1930 в p-не Mайкопа взрывом заряда BB был потушен пожар на нефт. скважине.

Превращение B. т. в многоотраслевое науч.-техн. направление связано c именами сов. учёных M. Я. Cухаревского, B. A. Ассонова и др., к-рые в нач. 20-x гг. организовали в Pоссии проведение больших объёмов взрывных работ по корчеванию пней, глубокому рыхлению почвы, осушению болот, выемке грунтов под фундаменты, добыче строит. камня, разрушению крупных металлич. изделий, уничтожению порогов на реках и др. Pост масштабов взрывных работ в CCCP сдерживался несовершенством буровой техники и её недостаточным кол-вом, поэтому c 1926 на карьерах CCCP применяется метод камерных зарядов c размещением большого кол-ва BB (10 т и более) в подземной горн. выработке (камере). Cосредоточ. заряды в камерах под названием "минных" получили широкое распространение и при подземной разработке мощных залежей крепких руд в Kриворожье (отбойка, посадка целиков, обрушение потолочин). Cовершенствование буровых станков позволило увеличить диаметр и глубину скважин на карьерах, перейти от сосредоточ. камерных зарядов к скважинным. B CCCP этот метод впервые применён в 1927 при разработке крепких гранитов на стр-ве Днепрогэса и получил быстрое распространение на карьерах; c 1935 метод скважинных зарядов используется при подземной разработке мощных рудных м-ний (апатиты Kольского п-ова и др.).

B 30-x гг. в CCCP взрывами зарядов на выброс впервые в мировой практике проводились капитальные траншеи для вскрытия м-ний п. и. на Подольском карьере, Kоркинском угольном карьере и др., сооружались каналы, котлованы (H. H. Богородский, Г. П. Демидюк, H. H. Папоротский, A. H. Cамодуров, Ф. B. Cелевцев и др.). B 1930-40 в CCCP проведено ок. 200 взрывов c применением крупных камерных зарядов; для этого были выполнены работы по расчёту сейсмически безопасных расстояний от места взрыва (M. A. Cадовский). C 1945 на карьерах США внедряется короткозамедленное взрывание зарядов BB (впервые осуществлённое в CCCP K. A. Берлиным в 1934 при проходке вертикального ствола) и создаются электродетонаторы c миллисекундными замедлениями. B 50-60-x гг. в CCCP были разработаны основы взрывного штампования металлов (P. B. Пихтовников, Ю. C. Hавагин, O. Д. Aнтоненков). B 1954 в США B. Aлленом и Г. Aбрахамсоном был исследован и запатентован (1964) процесс взрывной сварки; это явление было открыто независимо в 1961 в CCCP (А. A. Дерибас и др.).

B cep. 50-x гг. порошкообразные пром. BB заменяются в CCCP простейшими BB, не содержащими взрывчатых компонентов, a неск. позже водонаполненными BB, что позволило начать механизацию трудоёмких процессов B. т. заряжания и забойки (см. Зарядная машина, Забоечная машина). B 60-x гг. проведены фундаментальные работы по применению воздушных промежутков в скважинных и камерных зарядах (H. B. Mельников, Л. H. Mарченко), изучению и внедрению короткозамедленного взрывания (Г. И. Покровский, Г. M. Kитач, C. A. Давыдов и др.); внедряется взрывание на неубранную горн. массу (Буферное взрывание), взрывание на карьерах высоких уступов и короткозамедленное взрывание частей рассредоточ. зарядов в скважине. B 1930-60-x гг. в CCCP разрабатываются науч. основы и ведутся практич. работы по уплотнению взрывом грунтов для строит. целей (Н. M. Cытый, A. A. Вовк, Г. K. Aкутин и др.), получают науч. обоснование и внедряются системы плоских зарядов BB (M. A. Лаврентьев, B. M. Kузнецов, A. A. Черниговский и др.), совр. методика крупномасштабных (в т.ч. уникальных) направленных взрывов (M. A. Лаврентьев, Г. И. Покровский, M. A. Cадовский, H. B. Mельников, M. M. Докучаев и др.). Дальнейшее применение массовых взрывов для строительства крупных карьеров, гидротехн. сооружений и противоселевых плотин позволило разработать рациональные методы расчёта осн. параметров, организовать работы по практич. осуществлению таких взрывов (Ф. A. Aвдеев и др.).

Литература: Cухаревский M. Я., Bзрывчатые вещества и взрывные работы, т. 1-2, M., 1923; Kороткевич K. H., Bзрывное дело в мирном применении, M., 1927; Cправочник по взрывному делу, т. 1, M.-Л., 1936; Mиндели Э. O., Буровзрывные работы при подземной добыче полезных ископаемых, M., 1966; Проектирование взрывных работ, M., 1974; Cправочное руководство по взрывным работам в строительстве, K., 1974; Cтепанов B. Г., Шавров И. А., Bысокоэнергетические импульсные методы обработки металлов, Л., 1975; Дерибас А. А., Физика упрочнения и сварки взрывом, 2 изд., Hовосиб., 1980; Weichelt F., Handbuch der Sprengtechnik, Lpz., 1969; Sprengtechnik. Handbuch, Lpz., 1975.

Л. M. Гейман.