Добыча блочного камня с использованием принципа «газодинамического клина»

C изобретением дымного пороха нача­лась эпоха взрывных технологий. Дымный взрывной порох (ДВП) явля­ется древнейшим взрывчатым веществом (ВВ), до сих пор используемым при добыче блоков. Его большим преимуществом являет­ся низкоскоростной режим разложения в шпуре, обеспечивающий относительно «мяг­кое» воздействие на камень в сравнении с другими взрывчатыми веществами. В то же время ДВП опасен в применении: зажженный на воздухе, он взрывается даже в небольших количествах, легко воспламеняется под дей­ствием луча огня и искры, чрезвычайно чувст­вителен к механическим воздействиям. Иск­лючительно опасна пороховая пыль, которая всегда присутствует в ДВП. Поэтому при об­ращении с порохом требуются дополнитель­ные меры предосторожности. Все это, а также низкая производительность, легкая увлажня­емость, приводящая к потере воспламеняе­мости, давно вызвали необходимость поиска более совершенных средств взрывной добы­чи камня. 

Детонирующий шнур (ДШ) в одну или две нитки обеспечивает высокую син­хронность и стабильность действия, но вызы­вает наведенную микротрещиноватость (осо­бенно в обводненных шпурах) и пожоги камня Наряду с этим применение ДШ ограничено (при отколе по горизонтальной плоскости) высотой уступа 2.5 - 3 м. выше которой его ра­ботоспособности не хватает на сдвиг откалы­ваемого блока, а образуется лишь трещина с разрушением камня в плоскости шпуров. Поя­вившиеся позже различного типа заряды (ЗША-14. 3UJA-25. ЗЭТ «Гранилен* и др.), инициируемые с помощью ДШ, не избавлены в полной мере от этих недостатков, к тому же некоторые из них не могут работать в обвод­ненных или неглубоких шпурах, а ЗША-14 и, особенно, ЗША-25 требуют бурения шпуров (скважин) большего диаметра (42 и 105 мм), что удорожает и замедляет буровые работы «К-трубки» фирмы "Форсит* (Финляндия) разработаны для отделения и разделки ка­менных блоков из прочных скальных пород. Заряды состоят из ВВ (по сути - низкоплотно­го динамита) и пластиковой трубки Герме­тичные патроны центрируются в шпурах зон­тичными соединителями, что делает опера­цию заряжания простой и быстрой. Для ини­циирования взрыва «К-трубок» применяется ДШ с навеской ТЭНа 10 г/м. который касается каждого патрона. В России «К-трубки» широ­кого распространения не получили из-за не­которых организационно-производственных проблем и высокой стоимости.

Применение взрывчатых материалов на не больших карьерах блочного камня, во множестве открывающихся в настоящее время, сдерживается необходимостью создания и содержания инфраструктуры, обеспечивающей перевозку, складирование, охрану и использование взрывчатки, что существенно удорожает себе стоимость работ. Привлечение же подрядчиков - специализированных организаций, проводящих взрывные работы, при некотором удешевлении стоимости этих работ нередко сопровождается несоблюдением графика ведения работ, что сдерживает темпы разборки отколотого (из-за невозможности оперативно ликвидировать «замки», «заколы» и тд.) и обуривания нового скального блока Таким образом, назрела необходимость раз работки безопасного и эффективного средства добычи камня, обеспечивающего щадящее воздействие на породу и позволяющего oперативно использовать для дезинтеграции мае сивое персонал карьера. Этим насущным требованиям рынка в значительной степени удовлетворяют разработанные специалистами ООО «НПК «Контех» быстрогорящие, недето­нирующие составы, снаряжаемые ими патро­ны, а также способ их применения для мягкого откола от скального массива и дезинтеграции по природным трещинам камнеблоков различ­ных литологических разновидностей. Предлагаемые установки, получившие назва­ние «газодинамический клин» - ГДК «Контех», состоят из пластмассового герметичного ци­линдрического контейнера с окислительной композицией на основе хлората натрия (NaClO3) и технологических добавок. Контейне­ры содержат от 30 до 250 г состава имеют диа­метр от 22 до 32 мм и относятся к классу опас­ности при перевозке и хранении - 5.1 (окислите­ли). Перед применением на карьере за 2-3 ч до зарядки в шпуры с контейнеров удаляют крыш­ки, в их содержимое вводят определенное коли­чество дизельного топлива, а вместо крышек устанавливают гермопробки с электровоспла­менителями. Полностью снаряженные контей­неры размещают в шпурах, забивают песком или отсевом щебня и после монтажа электрической цепи инициируют их от допущенных Госгортехнадэором РФ источников тока.


Суть метода дезинтеграции (разделения) массивов блочного камня при помощи ГДК «Контех» состоит в создании плавно нараста­ющего невзрывного нагружения блока давле­нием продуктов сгорания пиротехнической смеси в шпурах. Горение композиции в кон­тейнерах не сопровождается возникновением ударных волн, а следовательно, и бризантно­го дробления контактной поверхности, что позволяет классифицировать данный способ как бездетонационный. Такой режим сраба­тывания газогенераторов ГДК «Контех» поз­воляет в очень широких пределах регулиро­вать степень нагружения массива и соответственно степень дезинтеграции от тонкой волосяной трещины при пассировке гото­вых блоков до перемещения отколотого блока на десятки сантиметров. Кроме того, при от­делении блока от массива не только по верти­кальной, но и по горизонтальной плоскости, есть возможность снять внутренние напряже­ния горной массы и вскрыть все естественные трещины камня (в том числе и плотные, мине­рализованные, «сросшиеся») путем заряже­ния горизонтальной строчки шпуров суммар­ным зарядом, достаточным для «подбрасыва­ния» блока на высоту 0.3-0.5 м. Опыт (для крепких пород - гранита, габбро-диабаза) по­казывает, что массив при этом разделяется именно по естественным трещинам. Для карьеров блочного камня, требовательно от­носящихся к качеству своей продукции и осо­бенно предприятий, совмещающих камнедобычу с последующей обработкой (распилов­кой. полировкой) камня, наличие внутренних скрытых трещин является крайне нежелатель­ным явлением Опасность для людей и оборудования при распиловке дефектных камнеблоков, а также высокая стоимость режу­щего инструмента вызывают необходимость гарантирования монолитности блоков, пред­назначенных для обработки. С применением ДШ такое «сотрясательное взрывание» невоз­можно, поскольку потребует перезаряда, что вызовет дробление и наведенную трещинова­тость камня. Дополнительно к этому дымный порох вызывает пожоги камня. 

По сравнению с вышеуказанными средствами ГДК «Контех» обладает большей энергетической насыщен­ностью, что позволяет снизить удельный рас­ход. увеличить шаг строчки шпуров при обуривании массива и, следовательно, умень­шить себестоимость буровых работ. Кроме того, ГДК «Контех» позволяет, при необходи­мости, оперативно регулировать энергетику и кинетику горения зарядов в широких преде­лах путем заполнения их большим или мень­шим количеством дизельного топлива. Благо­даря наличию герметичного пластмассового корпуса-пенала установки ГДК «Контех» на­дежно работают в обводненных шпурах. Отсутствие наведенных трещин при отколе блоков с помощью предлагаемых газогенера­торов объясняется дефлаграциоиным режи­мом разложения используемых составов и применением для инициирования электровос­пламенителей вместо ДШ и электродетонато­ров. Мягкое, щадящее воздействие на камень подтверждается тем фактом, что пластмассо­вые корпуса ГДК «Контех» остаются в значи­тельной степени недеформированными. Сотрудниками ООО «НПК «Контех» были про­ведены комплексные полигонные испытания, подтвердившие высокую степень безопасно­сти при работе с газогенераторами. В ходе испытаний патроны ГДК «Контех» помеща­лись в толстостенную стальную оболочку и бетонировались в ней. Инициирование осу­ществлялось как штатным ЭВУ, так и ЭД-8, в том числе через дополнительный детонатор из гексогена массой 15 г. Возможное прояв­ление детонации определялось по следам на медных пластинах-свидетелях, закрепленных на корпусах газогенераторов. Отсутствие присущих взрыву следов бризантного дейст­вия на медных пластинах, кроме района рас­положения ЭД-8 и дополнительного детона­тора, свидетельствует об отсутствии детона­ционных участков при горении газогенерато­ров в условиях замкнутого объема шпуров. Важно отметить, что штатное инициирование ГДК «Контех» вне шпура (на открытой поверх­ности) не вызывает воспламенения состава. Будучи подожженным от внешнего источника пламени, состав горит медленно, спокойно, со скоростью около 1 мм/с.


Дополнительно проводились испытания газо­генерирующей смеси с дизельным топливом на критерий принадлежности к взрывчатым материалам по методике ООН. Состав снаря­жался в бесшовную стальную трубу длиной 500 мм, внутренним диаметром 50 мм, тол­щиной стенки 4 мм, и инициировался с торца боевиком из флегматизированного гексогена массой 200 г. Наличие детонационных свойств в данных условиях определялось по длине деформированного участка трубы в сравнении с аналогом, заполненным инерт­ным веществом (поваренной солью), а также по следам на стальной пластине, закрываю­щей противоположный точке инициирования торец трубы. Испытания показали, что содер­жимое газогенераторов ГДК «Контех» не об­ладает взрывчатыми свойствами.


Таким образом, всесторонние полигонные ис­пытания подтвердили взрывобезопасность га­зогенераторов, а также повышенную, по срав­нению с широко применяемыми в горных рабо­тах инициаторами ЭД-8, МБ-2Н, безопасность разработанных нами электровоспламенительных узлов на базе конверсионного элемента ЭКВ-2. После полигонного цикла были проведены контрольные испытания газогенераторов для отбойки пород различных литологических разновидностей (габбро-диабаз, габбро-норит, габбро-анартозит, лабрадорит, граносиенит, граниты - Дымовский, Летнереченский, Мансу­ровский, Сибирский, Южно-Сулгаевский). Из добытых при помощи ГДК «Контех» блоков со стороны плоскости откола отбирались керновые пробы, подвергавшиеся микроскопическим исследованиям. Изменений кристаллической структуры минералов после отбойки газогене­раторами по сравнению с исходным состояни­ем не отмечено. Кроме того, от блоков из точек расположения в шпуре газогенераторов выре­зались фрагменты, на которых выполнялись аншлифы в нормальной и радиальной плоскостях относительно оси шпуров Полированные по­верхности обрабатывались флуоресцирующим высокопроникающим раствором BRITEMOP 4455 для проведения дефектоскопии. После удаления излишков раствора с обработанных поверхностей и облучения их ультрафиолетом ни тангенциальных, ни радиальных трещин на прилегающей к патронам ГДК «Контех» поверх­ности не выявлено. Отсутствие наведенной тре­щиноватости косвенно подтверждено и распи­ловкой выколотых блоков на плитку толщиной 20 мм. Выход товарной продукции при этом со­ответствовал технологическим нормам для дан­ных пород камня.

Наиболее полный комплекс исследований влия­ния патронов ГДК «Контех» на свойства добыва­емых камнеблоков проводился в Уральской го­сударственной горно-геологической академии. Опытно-промышленные работы, выполненные на Мансуровском и Исетском гранитных карье­рах, позволили сделать следующие выводы:
1. Прочностные характеристики гранита в зоне непосредственного действия газоди­намического клина ГДК «Контех» на горную породу вблизи шпура не отличаются от характеристик, полученных на образ­цах, вырезанных из блоков путем бурокли­новых работ, т.е. без газогенераторов.
2. На полированных поверхностях образ­цов плит вокруг шпуров отсутствует ради­альная трещиноватость и сеченность, хара­ктерная при воздействии взрывов на мас­сив горных пород.
3. Прозвучивание плиток импульсным ульт­развуковым прибором УКВ-1м на частоте 60 кГц, выполненное вдоль и перпендику­лярно направлению шпуров, показывает, что изменение скорости упругой волны не­значительно и плавно снижается по мере удаления от шпуров в массив блока при за- мерах параллельно направлению шпуров и остается практически постоянным при замерах перпендикулярно оси шпуров.
4. Выполненные испытания газодинами­ческого клина ГДК «Контех» на Исетском гранитном карьере (Свердловская об­ласть) показали, что при его срабатыва­нии происходит не дробление отделяемой горной массы, а откол монолита по плос­кости разделения и естественным трещи­нам массива. Объем отделенного моноли­та размерами 5x2x2 м составил 20 м3.
5. Газодинамический клин ГДК «Контех» срабатывает только в шпуре при наличии плотной забойки, вне шпура - не взрыва­ется и не возгорается.

Весьма эффективным представлляется при­менение газогенераторов ГДК «Контех» для выполнения скальной вскрыши вновь разраба­тываемых месторождений, особенно пород осадочного происхождения. Так, после врезки на глубину 3-4 м рыхление выветренных слоев может вестись горизонтальной подсечкой с длиной шпуров до б м. При этом полностью ис­ключается дробящее влияние патронов ГДК «Контех» на основной плотный массив. Подоб­ный метод «сотрясательной» дезинтеграции по методике геолога А. Г Митрофанова был апро­бирован для месторождения габбро-диабаза. По горизонтальной строчке шпуров произво­дился отрыв массива объемом до 600 м3 и его интенсивное встряхивание путем подбрасыва­ния на высоту до 0.5 м с целью вскрытия всех природных трещин и смещения отдельностей относительно друг друга для облегчения пос­ледующей разборки горной массы. Роль третьей открытой поверхности при этом выполняли плоскости субвертикальных трещин I и 2 по­рядков Такая рациональная организация вскрышного уступа с максимальным использо­ванием природной трещиноватости и других горно-геологических характеристик месторо­ждения не замедлила сказаться в значитель­ном ускорении работ.


Таким образом, по результатам разработки газогенераторов ГДК «Контех», их полигон­ных и контрольных испытаний можно конста­тировать, что применение данных установок в практике добычных работ позволит повысить производительность и безопасность труда при сохранении природной целостности до­бываемого блочного камня.