Применение шпуровых газогенераторов давления на карьерах блочного камня

Заметное увеличение объемов строительных работ в России за последние годы привело к повышению спроса на природный облицовочный камень, а в условиях ограниченного количества разрабатываемых месторождений камня высокой декоративности — к потребности в «щадящих» ресурсосберегающих технологиях его добычи. В связи с этим Научно-Производственный Коллектив "Конверсионные технологии" (НПК "Контех") проводит работы по созданию и внедрению новых пиротехнических недетонационных средств добычи блочного камня как альтернативы механическим методам (буроклиновой, баровое и алмазно-канатное пиления, терморезка и другие) и буровзрывному способу добычи с использованием детонирующего шнура, дымного пороха, эластичных трубчатых зарядов ЗЭТ («Гранилен»), шланговых зарядов ЗША-14(23), патронированных зарядов «Форсит» (К-трубки). зарядов мягкого взрывания ЗМВ завода «Искра» и т. п.

Эти технологии характеризуются либо низкой производительностью и ограниченной областью применения (механические методы), либо негативным воздействием взрывов бризантных ВВ на около- шпуровой слой массива и блока природного камня, снижающим выход товарных изделий.

Результатом работ по поиску альтернативных средств добычи камня, объединяющих положительные стороны механических и взрывных способов, стало создание конструкций и составов газогенераторов давления шпуровых (ГДШ) по ТУ 7275-002- 46242932-2002, которые успешно применяются в России и за рубежом. Состав ГДШ и технология его применения защищены четырьмя патентами РФ, принадлежащими ООО «НПК «Контех». Разрешением Госгортехнадзора России № РРС 04-11424 от 12.03.2004 г. ГДШ допущены к постоянному приме-нению для откола монолитов и блоков при добыче природного камня.

ГДШ состоит из пластмассового цилиндрического пенала диаметром 18-30 мм и длиной 100-600 мм; порошкообразного окислителя с технологическими добавками; электропускового устройства и дизельного топлива, вводимого в окислитель непосредственно на месте проведения добычных работ (рис. 1).

В соответствии с ГОСТ 19433-88 пеналы с окислительной композицией без горючего относятся к грузам 5-го класса опасности, подкласса 5.1. При перевозке на одном транспортном средстве, количестве окислительной композиции в каждом пенале не более 1000 г и массе брутто каждой упаковки не более 30 кг ГДШ относятся к неопасному грузу в соответствии с «Правилами перевозки опасных грузов автомобильным транспортом» и ДОПОГ издания 2003 г. (ECE/TRANS/160 — UN 1479 LQ 12). Согласно информационному письму № 37/13-3038 от 13.07.2004 г. экспертно-криминалистического центра МВД РФ ГДШ-200-32 и УЭВ не являются взрывными устройствами.

ГДШ обладает способностью создавать динамическое давление газов только в замкнутом пространстве шпура, плотно заполненного песком (рис. 2). Полная идеальная работоспособность состава ГДШ — 3200 кДж/кг, кислородный баланс при горении — минус 5 %, температура вспышки — 300-350 °С. Объем газообразных продуктов сгорания ГДШ при нормальных условиях составляет около 400 л на 1 кг состава. Основные продукты горения — С02 и Н20 (водяные пары). Применение ГДШ для добычи блочного камня в карьерах является безопасным в токсикологогигиеническом отношении, что подтверждено заключением НИИ «Гигиены, профпатологии и экологии человека» (г. Санкт-Петербург). Благодаря герметичному пластмассовому корпусу ГДШ надежно работают в обводненных шпурах. Следует отметить, что темп нарастания давления в шпуре поддается плавному регулированию введением в окислитель разного количества горючего, что позволяет учитывать конкретные горно-геологические условия карьеров и физико-механические свойства добываемого камня. Отличительной особенностью является переход скоростного горения состава в условиях шпура в спокойное горение со скоростью около 1 мм/с при падении давления в связи с образованием трещины откола.

В процессе испытаний и отработки методик применения ГДШ на месторождениях России, Украины, Казахстана и Черногории были проведены отрывы блоков и монолитов различных объемов — от 3-4 до 1200 м3. При этом длина шпуров варьировалась от 1,5 до 6 м, а глубина заходки достигала 10 м. Единовременно инициировали до 850 ГДШ.

В течение 1999-2007 гг. в ООО «НПК «Контех» были проведены широкие теоретические исследования механизма и энергетики действия пиротехнических составов ГДШ как нового технического средства добычи блочного камня, по результатам опытных взрывов установлены эмпирические зависимости для расчета оптимальных схем размещения зарядов ГДШ, разработана методика с рекомендациями и указаниями по их рациональному использованию в различных горногеологических условиях. Количество патронов на один шпур определяют, исходя из того, чтобы промежутки между ними были не более высоты блока и не превышали 1,3-1,4 м. В отдельных случаях расстояние между зарядами можно увеличить при условии чередования шпуров с разреженным и нормальным расположением патронов ГДШ. Расстояние от устья шпура до последнего патрона должно быть 0,7-1 м. При высокой трещиноватости массива количество патронов в шпуре увеличивают (уменьшают средний номинал газогенераторов). Патроны по шпуру распределяют с увеличением номинального заряда от устья шпура к его дну (за исключением крайних шпуров со стороны свободного фланга) с целью создания вектора перемещения, облегающего последующую разработку блока. Если заряд шпура не кратен патронам ГДШ имеющейся номенклатуры, можно чередовать шпуры с большим и меньшим зарядом при соблюдении среднего расчетного значения заряда. В общем случае желательно размещать газогенераторы в соседних шпурах со сдвигом в шахматном порядке, чтобы более равномерно нагружать плоскость отрыва.

Следует отметить некоторые общие принципы и приемы, определяемые свойствами ГДШ и используемые специалистами в своей работе. Так, применение при зарядке большего количества ГДШ меньшего номинала предпочтительнее, так как позволяет за счет более синхронного и равномерного нагружения получать ровный откол и зачастую экономить расход патронов ГДШ (по суммарной навеске). При этом нужно учитывать уникальную особенность ГДШ: поскольку это пиротехническое средство местного приготовления, то в зависимости от ситуации имеется возможность корректировать энергетику и динамику горения ГДШ путем уменьшения дозировки горючего с окислителем, по сравнению со стандартным, до двух раз. Этим достигается примерно пропорциональное снижение энергетики ГДШ при одновременном повышении скорости горения его состава. Такой прием может быть полезным при необходимости ровного откола сравнительно тонких слоев камня, когда линия наименьшего сопротивления весьма мала, а патронов с малой номинальной навеской не хватает. Забойка шпуров также оказывает влияние на качество откола. Если в глубине массива забойка может быть не слишком плотной, то забойка устья шпура должна быть весьма плотной, чтобы исключить «прострел» и преждевременную разгрузку давления всего шпура. В отдельных случаях, например при пассировке блоков, используют распределяющую давление забойку шпуров путем заливки в шпур вместе с забоечным материалом воды, создающей гидравлическую среду. Количество воды подбирают таким образом, чтобы около 0,5 м от устья шпура можно было забить сухой забойкой (без воды). Нижняя часть шпуров (недобур 15-20 см) забивают плотно сухой забойкой на 25-30 см во избежание откола нижней части блока. Таким приемом давление газов от одного патрона ГДШ перераспределяется почти на всю длину шпура, обеспечивая более ровный откол и экономию расхода ГДШ.

В заключение следует отметить, что месторождения природного камня исключительно разнообразны по горногеологическим условиям, физико-механическим свойствам пород, характеру естественной трещиноватости и т. д. Кроме того, в зависимости от конъюнктуры рынка природного камня могут решаться разные задачи — от производства и продажи крупных блоков до камнеобработки и изготовления крупных, средних и мелких изделий. В связи с этим для обеспечения эффективной технологии добычи камня, в том числе с применением ГДШ, необходимо предварительное проведение экспериментальных (опытно-промышленных) работ на каждом конкретном карьере.