Интенсификация добычи блочного камня с применением газогенераторов давления шпуровых «ГДШ»

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объема строительных работ в России в последние годы привело к повышению спроса на природный облицовочный камень, а в условиях ограниченного количества разработанных месторождений камня высокой декоративности - к потребности в "щадящих", ресурсосберегающих технологиях. В связи с этим Научно-Производственный Коллектив "Конверсионные технологии" (НПК "КонТех") последние годы проводились поисковые работы по внедрению новых, пиротехнических, недетонационных средств добычи блочного камня. Результатом этих работ является создание конструкций и составов газогенераторов давления шпуровых (ГДШ ТУ 7275-002-46242932-2002), которые сегодня успешно применяются в России и за рубежом.

​АНАЛИЗ ПРЕДЫДУЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изначально применявшиеся средства добычи блочного камня на карьерах были механическими. Сохранившиеся до наших времен или модифицированные (буроклиновой метод, алмазно-канатное и баровое пиление, терморезка, разные виды НРС) обладают неоспоримыми преимуществами - сохранность камня при добыче и сравнительная безопасность. Но низкая производительность, ограничение по прочностным свойствам пород и климатическим условиям применения, трудность работы по трещиноватым массивам или сложность разборки сильно ограничивают в той или иной мере применимость этих методов Подовляющее большинство применяемых в настоящее время средств добычи блочного камня немеханического типа являются взрывчатыми веществами и, соответственно, в той или иной степени обладают бризантным действием. Такими средствами обычно являются взрывной дымный порох, детонирующий шнур в одну-две нитки, заряды эластичные трубчатые ЗЭТ ("Гранилен"), заряды шланговые ЗША-14(23), патронированные заряды "Форсит" (К- трубки) [1], заряды мягкого взрывания ЗМВ завода "Искра". Положительным качеством всех этих средств является присущая взрывчатым зарядам высокая синхронность срабатывания по шпурам и, в отдельных случаях, быстрота монтажа взрывной сети, Общим недостатком всех перечисленных средств является дробящее действие ударной волны на околошпуровой слой камня. Кроме того, являясь самостоятельными взрывчатыми зарядами, в комплекте со штатными средствами инициирования (ЭД, ДШ) эти средства представляют определенную опасность в перевозке, хранении и обращении. И, наконец, в силу высоких скоростей процесса детонации и отсутствия реальной возможности затянуть спад давления в волнах разгрузки, импульс, передаваемый отделяемому от массива блоку, является весьма кратковременным, и это накладывает ограничения на размеры отделяемых с применением детонирующих зарядов блоков. Приходится либо ограничиваться небольшими заходками (1,5-2 м), либо значительно усиливать расход взрывчатого вещества (например, ДШ в 3-4 нити). Первый путь приводит к уменьшению выхода блоков, т. к. отрывать камень от массива приходится "по живому", игнорируя природную трещиноватость и получая зачастую 2-3 блока 3-4-ой группы неправильной формы вместо одного крупного блока 1-2-ой группы. Второй путь, как известно, чрезмерно увеличивает дробление камня в околошпуровой зоне, и, тем самым также снижает выход товарной продукции.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Разработка нового, недетонационного средства добычи каменных блоков, объединяющего положительные качества механических и взрывных методов добычи блочного сырья: сохранность камня, высокая производительность, легкость разборки отколотой горной массы, безопасность хранения и применения.

МАТЕРИАЛЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На первом этапе предметом исследований являлись модельные пиротехнические композиции на основе различных окислителей (хлораты натрия и калия, перхлораты и нитраты аммония, натрия и калия) и углеводородного горючего (дизельного топлива либо полиэтилена). Для более корректного сравнения результатов было выбрано одинаковое (стехиометрическое) соотношение горючего с окислителями и одинаковая дисперсность окислителей (250-500 мкм). Проведенная серия экспериментов показала, что оптимальными окислителями для пиротехнического состава могут быть хлораты натрия и калия. Выводы основывались на следующих данных. Нитраты натрия и калия, по сравнению с аналогичными хлоратами, обладают значительно более низкой энергетикой (полной идеальной работой Ар). Они значительно уступают также и по скорости горения (скорость горения модельных композиций измерялась при нормальных условиях). Об этом же свидетельствуют проводившееся нами ранее исследование работы ЗЭТ «Гранилен». Было показано, что горение состава на основе нитрата калия и смесевого углеводородного горючего не носит стабильного характера при атмосферном давлении, несмотря на наличие в рецептуре значительного (~30%) количества гексогена. И только под воздействием ударной волны детонирующего в канале ЗЭТ ДШ и вызванного ею диспергирования состава и значительного повышения температуры и давления состав «Гранилен» сгорает (зачастую частично). Нитрат аммония, имеющий потенциально более высокие (в том числе и по сравнению с хлоратами) энергетические характеристики, показал еще меньшую склонность к стабильному дефлаграционному режиму разложения смесей на его основе. Горения смеси на нитрате аммония при нормальных условиях добиться не удалось, и только начиная с давлений порядка 50-70 атм. наблюдалось нестабильное горение. По литературным данным, разложение зарядов на основе нитрата аммония (ЗША-14(25) на основе селитры ЖВ или аммонита АТ-1) происходит в низкоскоростном детонационном режиме и только под действием детонационной волны проходящего по центру зарядов детонирующего шнура. Перхлорат аммония, имеющий как окислитель еще более высокие энергетические характеристики и обеспечивающий стабильное горение смесей при нормальных условиях, был признан непригодным в связи с высокой стоимостью и экологически вредными продуктами горения (большое количество хлористого водорода и, соответственно, соляной кислоты). Смеси на основе перхлоратов калия и натрия с полиэтиленом также имеют достаточно высокие энергетические параметры и достаточно стабильно горят при нормальных условиях, но имеют тот же недостаток - дороговизну. Таким образом, в качестве окислителя для газогенерирующих пиротехнических смесей наиболее предпочтительны хлораты натрия и калия, причем хлорат натрия имеет преимущество как по энергонасыщенности, так и по цене.

В качестве горючего для разрабатываемой ком-позиции рассматривались различные углеводороды - порошкообразные полиэтилен и полистирол, ди-зельное топливо, кероген сланцев. С целью оптимизации состава продуктов горения исследовались со-ставы с одинаковым (стехиометрическим) соотно-шением горючего и окислителя, В качестве базового окислителя был выбран хлорат натрия по ГОСТ- 12257-93, в качестве типовой конструкции заряда - заполненная пиротехнической смесью полимерная труба внутренним диаметром 20 мм. Сравнивались скорость горения, чувствительность к механическим воздействиям (удар, трение), склонность к переходу горения в детонационный режим.

В результате было выяснено, что скорость горения при атмосферном давлении повышается в ряду 
полиэтилен → дизельное топливо → полистирол → кероген, а чувствительность к удару и трению повышается в ряду дизельное топливо → полиэтилен → полистирол → кероген. 
Склонность к переходу горения в детонацию проявила только смесь с керогеном. Следует отметить, что использовавшийся кероген сланцев был в 3-5 раз мельче применявшихся порошков полиэтилена и полистирола (ввиду трудности измельчения последних). При повышении давления разница скоростей горения для разных смесей нивелировалась. Отдельно проводилось исследование скоростей горения смесей хлората натрия с полиэтиленом и полипропиленом, размещенными в порошкообразном окислителе в виде пучков соосно ориентированных трубок различного диаметра и толщины стенок (с сохранением кислородного баланса смесей нулевым). Эти исследования показали, что скорость горения таких сильно негомогенных смесей заметно ниже, чем для смесей с порошкообразным горючим компонентом, в особенности при повышенных давлениях, и это несмотря на явное нарушение послойного режима горения за счет наличия в составе продольных каналов между трубками, расположенных перпендикулярно фронту горения, и способствующих организации струйно-конвекционного режима горения. Такая, негомогенность смеси, низкая скорость горения со слабой зависимостью от давления приводят к большим временам горения газогенераторов, ею снаряженных, и значительной разновременности их работы, что неприемлемо для использования газогенераторов при групповом инициировании для отбойки больших отдельностей.

На основании проведенных сравнительных экспериментов с различными вариантами горючего для пиротехнического снаряжения было выбрано дизельное топливо. Это решение основывалось не только на наименьшей чувствительности такой смеси к механическим воздействиям и доступности горючего. Основный аргументом в пользу дизельного топлива является уникальная возможность внедрения в практику горных работ газогенерирующих составов местного приготовления, поскольку окислитель в контейнерах легко, безопасно и качественно можно смешать с жидким горючим на месте применения путем заливки в них необходимого количества топлива, дозируемого по объему. Такой вариант местного приготовления состава не требует особого оборудования, склада ВМ, позволяет упростить условия хранения и перевозки расходных материалов: хлорат натрия является, согласно ГОСТ 19433-88, грузом с классом опасности 5.1 (окисляющие вещества) и в ограниченных количествах (UN 1479 LQ) перевозится как неопасный груз.

Уточнение выбранной рецептуры пиротехнической газогенерирующей смеси заключалось в подборе добавок, катализирующих и стабилизирующих горение, и экспериментально-расчетном определении энергетических и эксплуатационных характеристик состава при различных соотношениях окислительной композиции и дизельного топлива. Содержание топлива в смеси варьировалось от 6 до 16% масс (большее количество не удерживалось в смеси - наблюдалось отекание топлива). Определялись (рассчитывались) скорость горения, плотность, идеальная теплота сгорания, полная идеальная работа, температура и состав продуктов сгорания, максимальное давление в шпуре. Скорость горения при атмосферном давлении изменялась в пределах +30% с максимальным значением -1 мм/с при содержании 12-13% дизельного топлива в смеси. Плотность смеси изменялась с увеличением количества топлива от 1,45 до 1,7 г/см3. Средняя расчетная плотность заряжания смеси в контейнерах в шпуры принималась для расчетов - 1 г/см3. Основная (идеальная) реакция при горении изучаемой смеси выражается уравнением:

NaClO3 + 1/n(CH2)n = NaClO + CO2 + H2O +  1412 ккал/кг

В реальности, вследствие различных побочных реакций, имеющих зависимые от температуры и давления константы равновесия, состав продуктов горения смеси и теплота реакции несколько отличаются, что учитывалось в наших дальнейших расчетах.

Как показали расчеты, наибольшая идеальная теплота и температура сгорания наблюдаются в районе стехиометрического соотношения компонентов. Расчетное идеальное давление медленно увеличивается и при увеличении количества горючего за стехиометрическое соотношение, что объясняется увеличением количества газообразных продуктов и снижением средней молекулярной массы продуктов сгорания из-за появления в них Hi и СО при отрицательном кислородном балансе смеси. Но величина давления и так на порядок выше пределов прочности различных горных пород, в то время как переизбыток горючего приводит к значительному снижению скорости горения, ухудшению воспламеняемости пиротехнического состава и экологичности продуктов сгорания. Поэтому основным практически важным критерием газогенерирующего состава была выбрана полная идеальная работа Ар. Это обусловлено тем, что при добыче блочного камня важным фактором является не только откол блока от массива и образование «волосяной» трещины, но и перемещение горной массы, ее «встряхивание», облегчающее разборку. Ар является функцией теплоты сгорания и к-П.д. продуктов сгорания, зависящего от их средней молекулярной массы, температуры и удельного количества газообразных продуктов. Максимум Ар приходится на 13-13,5% дизельного топлива в смеси. Это содержание топлива в смеси и было выбрано в качестве оптимального для дальнейшей работы.

В процессе работы над конструкцией ГДШ рассматривались и испытывались различные схемы размещения составных элементов разных типов. В качестве материала корпуса контейнера под газогенерирующую смесь была выбрана полиэтиленовая труба. Такой корпус обладает достаточно высокой прочностью при транспортировке и хранении, химически стабилен в отношении находящейся в нем окислительной композиции, не растворяется и не набухает под действием углеводородного горючего, имеет высокую влаго- и хладостойкость. а также высокую ударную вязкость, обеспечивающую целостность его при забойке патрона в шпуре. Материалом для торцевых крышек был выбран полиэтилен высокого давления, эластичность которого позволяет герметично закрывать торцы корпуса, что важно при перевозках и хранении во избежании просыпания содержимого, а также при зарядке ГДШ в обводненные шпуры. При выборе конструкции торцевых крышек (наружные или внутренние) были приняты во внимание следующие соображения. Во- первых, наружная крышка обеспечивает зазор между корпусом контейнера и стенками шпура, в котором можно размещать и изолировать скрутки проводов электровоспламенителя и подсоединительных проводов. Во-вторых, и это главное, по данным экспериментов, зазор обеспечивает ускоренное воспламенение заряда по всей поверхности за счет деформации в зазоре и раскалывания оболочки. При плотном прилегании корпуса к стенкам шпура такого эффекта не наблюдается.

В качестве электровоспламенителей (ЭВ) для ГДШ испытывались различные ЭВ, причем отбор велся по разновременности срабатывания ГДШ от данного ЭВ в условиях моделируемого манометрической бомбой шпура и по надежности воспламенения. Большинство испытанных ЭВ надежно воспламеняли газогенерирующую смесь (кроме МБ-2Н, ЭВФ-1(И)) и ЭЛ-20). По результатам испытаний были выбраны ЭВ ТЭЗ-ЗП и УЭВ ТУ 7287-006- 46242932-2004 собственной разработки на основе утилизационных элементов ЭКВ-2(М). 

Такны образом, выбранная конструкция ГДШ в окончательно снаряженном виде представила собой полиэтиленовую трубу диаметром 25 мм (для шпуров 32, 36 мм) с торцевыми наружными полиэтиленовыми крышками, электровоспламенителем ТЭЗ-ЗП или УЭВ и подсоединительными проводами, заполненную газогенерирующей смесью.

Проведенные в дальнейшем лабораторные, полигонные, предварительные и приемочные испытания ГДШ доказали полное соответствие экспериментальнотеоретических выводов практическим результатам.

От первых полигонных испытаний быстрогорящих бинарных составов, проведенных в 1998 г., до получения в марте 2004 г, разрешения Госгортехнадзора РФ № РРС 04-11424 на применение ГДШ ТУ 7275-002-46242932-2002 выполнены сотни экс-периментальных отколов на карьерах Заполярья, Карелия, Башкирии, Урала и Дальнего Востока России, а также в Украине. Всего в ходе отработки ГДШ в этом временном интервале добыто свыше 75000 м3 горной массы.

Наиболее полный комплекс исследований влияния ГДШ на свойства добываемых камнеблоков проводился в Уральской государственной горногеологической академии научным коллективом под руководством профессора Г.В. Бычкова [2], Выполненная в 2001 г. НИР «Оценка влияния газогенераторного клина на прочностные и акустические свойства гранита Мансуровского месторождения» позволила сделать следующие выводы:

Прочностные характеристики гранита в зоне непосредственного действия ГДШ на горную породу непосредственно возле шпура не отличаются от характеристик, полученных на образцах, вырезанных из блоков путем буроклиновых работ, т. е. без газогенераторов.

На полированных поверхностях образцов плит вокруг шпуров отсутствует радиальная трещиноватость и сеченность, характерная для воздействия взрывов на массив горных пород,

Прозвучивание плиток импульсным ультра-звуковым прибором УКБ-1м на частоте 60 кГц было выполнено вдоль и перпендикулярно направлению шпуров. Полученные результаты измерений показывают, что изменение скорости упругой волны не-значительно и плавно снижается по мере удаления от шпуров в массив блока при замерах параллельно направлению шпуров, и остается практически постоянной при замерах перпендикулярно оси шпуров.

Выполненные 11.04.2001 г. испытания ГДШ на Исетском гранитном карьере (Свердловская область) показали, что при срабатывании его происходит не дробление отделяемой горной массы, а откол монолита по плоскости разделения и естественным трещинам массива. Объем отделенного монолита размером 5x2x2 м составил 20 м\

Газогенератор ГДШ срабатывает только в шпуре при наличии плотной забойки, вне шпура - не взрывается и не возгорается.

Интересные результаты были получены при формировании новой технологии добычи блоков с применением ГДШ в Карелии при отработке место-рождения габбро-диабазов, имеющих высокую степень природной трещиноватости. Коэффициент удельной трещиноватости варьировался от 1,2 до 2,6 м/м2 при наличии в массиве до четырех систем трещин с разбросом азимутов падения до 15° в каждой из систем, В результате перехода от взрывания дымным порохом к применению ГДШ выход малогабаритного окола уменьшился на 15-20%, производительность по разборке горной массы возросла на 50%, шаг бурения был увеличен с 15-20 до 35-45 см. В связи с тем, что в плоскости откола блока от массива уменьшилась зона разрушения, была увеличена высота рабочего уступа - от 4-5 м на восточном фланге до 8-9 м - в центре забоя. При этом удельный расход бурения снизился до 0,9-1,2 м/м3, а в составе отделяемых массивов появились блоки I-II групп. Общий выход товарных блоков достиг 60%. В результате внедрения ГДШ карьер превратился в высокорентабельное предприятие.

Необходимо подчеркнуть, что сама идея выполнения дезинтеграции трещиноватого массива по горизонтальной строчке шпуров не могла быть реализована в полной мере без появления такого средства, как ГДШ. Сотрясательная дезинтеграция достаточно больших объёмов горной породы возможна именно за счёт создания резкого, но безударного роста давления газов внутри шпуров.

На месторождении габброанартозитов в Житомирской обл. Украины применение ГДШ позволило изменить систему отработки запасов в условиях наклонного залегания пластов различной мощности, В июле 2000 г. карьер добыл 220 м3 блоков III-VI групп, а в августе при испытании ГДШ было получено 290 м3 блоков I-III групп. Плавное смещение субгоризонтальных пластов по падению позволило добыть монолиты с параметрами до 30-35 м2 по площади при толщине пластов в 1,2-2,4 м.Применённая на этом месторождении технологическая схема отличается от той сотрясательной дезинтрации, которая была внедрена на месторождении в Карелии, но обе системы добычи невозможны без применения ГДШ. Значительный экономический эффект был получен при разбортовке тонкослоистых массивов на Исетском и Мансуровском месторождениях гранитов. Применение ГДШ позволило отказаться от нарезки щелей огневым способом, т.к. появилась возможность отработки запасов по принципу "3~х свободных поверхностей".

Специалисты-горняки на всех карьерах, где были апробированы ГДШ, отмечали еще одно из его достоинств - возможность оперативного удаления "зам-ков", “заколов" и ускоренной проходки участков с тектоническими нарушениями. Это преимущество ГДШ перед штатными ВВ обусловлено его абсолютной безопасностью и невозможностью использования вне шпура, в связи с чем комплектующие ГДШ могут храниться непосредственно на карьерах, а его применение не требует привлечения специализированной подрядной организации.

В ходе испытаний за один прием из скальных массивов отрывались отдельности от 2-3 до 1500 м3 с созданием давления как в одной, так и в трех плоскостях. Установлено, что удельный расход окислительной композиции в среднем в 2 раза меньше, чем при использовании дымного пороха.Отсутствие ударной воздушной волны и минимизация разлёта осколков до величин 15-25 м позволяют существенно снизить временные и материальные затраты, связанные с выводом техники из карьера, по сравнению со взрывными способами.

Исследования, проведенные ФГУП НИИ «Гигиены, профпатологии и экологии человека» (г. Санкт-Петербург), установили, что применение ГДШ для добычи блочного камня в карьерах является безопасным в токсиколого-гигиеническом отношении [3].

Разрешение Госгортехнадзора РФ на применение ГДШ для откола горной породы при добыче блочного камня, совпавшее по времени с освоением производства газогенераторов, представляет уникальный шанс реального снижения себестоимости добычи с одновременным улучшением качества товарной продукции на карьерах блочного камня.

​ВЫВОДЫ​

Разработано новое недетонационное средство ГДШ ТУ 7275-002-46242932-2002 для интенсивной щадящей добычи блочного камня. Получено разрешение Госгортехнадзора РФ на постоянное применение и экспертно-криминалистическое заключение, подтверждающее непринадлежность данных патронов к категории взрывчатых веществ.


Выявлены основные зависимости по обуриванию и зарядке ГДШ скальных массивов различных литологических разновидностей, позволяющие существенно повысить экономическую эффективность, выход блоков и безопасность ведения добычных работ.


Получено экспертное заключение "НИИ Гигиены, профпатологии и экологии человека", которое свидетельствует о безопасности применения ГДШ для окружающей среды и горнорабочих.