Применение газогенератора давления шпурового при проходке траншей и добыче блочного камня карбонатных пород

ВВЕДЕНИЕ​

В последние годы, в соответствии с мировыми тенденциями, все более жесткие требования предъявляются к безопасности, экологичности и ресурсосбережению при ведении горных и специальных взрывных работ. Немаловажным фактором, вызывающим интерес к внедрению бездетонационных технологий при ведении таких работ, является усиливающаяся угроза терроризма в ряде регионов мира. В связи с этим Научно Производственным Коллективом "Конверсионные Технологии"  (НПК "КонТех") последние годы проводились поисковые работы по внедрению новых пиротехнических, недетонационных средств добычи блочного камня. Результатом этих работ явилось создание конструкций и составов газогенераторов давления шпуровых (ГДШ ТУ 7275- 002-46242932-2002), которые сегодня успешно при-меняются в России и за рубежом. ГДШ не содержит в своем составе взрывчатых веществ. Пиротехнический состав ГДШ является своего рода "бинарной" смесью, изготавливаемой непосредственно на месте использования путем заливки необходимого количества горючего в окислительную композицию патрона.

АНАЛИЗ ПРЕДЫДУЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 

В предыдущих наших работах [1,3] проводилась доработка состава и конструкции газогенераторов для использования их при разрушении железобетонных конструкций и дроблении валунов. Был оптимизирован окислительный состав ГДШ с катализаторами, его дисперсность, определены закономерности нарастания давления в шпуре в зависимости от соотношения "горючее/окислитель" (ГДШ позволяет гибко регулировать динамико-энергетические характеристики путем изменения количества добавляемого в патрон жидкого топлива). Этим удалось добиться высокой скорости нарастания давления в плотно забитых, герметичных шпурах. При этом, правда, заметно снижались энергетические параметры - теплота сгорания, работоспособность и максимальное давление в шпуре, но при разрушении валунов и негабарита большого давления и не требуется, важна, скорее, синхронность работы нескольких патронов для более мелкого дробления. Избыточная работоспособность, расходуемая на метание отколотых кусков, весьма нежелательна, поэтому снижение содержания горючего, сопровождаемое значительным сладом температуры горения и приближением ее к равновесной по давлению температуре кипения NaCl (являющегося одним из основных продуктов реакции) приводит к падению содержания NaCl в газовой фазе. Эта тенденция еще сильнее проявляется при резком снижении давления после раскалывания камня, сопровождаемом охлаждением газов. В результате эффект, производимый ГДШ, ограничивается расколом преграды на фрагменты без выраженного метательного и звукового действия. Таким же способом достигается улучшение дробления железобетонных конструкций (в связи с отсутствием бризантного действия уместнее было бы применить термин "выкрашивание", поскольку арматура, как правило, остается не разрушенной, а деформированной). В обоих рассмотренных случаях применения ГДШ преграда представляет собой весьма плотный, практически беспористый монолит, окружающий плотно закупоренный забойкой шпур с патроном ГДШ. Нарастание давления для группы патронов при этом происходит весьма синхронно, и результат взаимодействия полей напряжений в преграде достаточно предсказуем (без учета естественной трещиноватости объекта). Для более рыхлых и пористых преград замена традиционных детонирующих зарядов ВВ на газогенерирующие пиротехнические составы представляется задачей гораздо более сложной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Оптимизация конструкции и технологии применения газогенерируюших зарядов при разработке осадочных пород и при ведении специальных работ.

МАТЕРИАЛЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Уточнить пути решения этих вопросов представилась возможность при использовании ГДШ для работ по карбонатным породам. Характерным представителем таких пород является Путиловский известняк, Плитчатые залегания этого камня с давних пор разрабатывались в окрестностях Петербурга. Этот камень - первый природный каменный строительный материал, использованный при строительстве Петербурга. Наиболее показательными примерами использований известняка Путиловской горы являются Летний дворец Петра, Петропавловский собор. Путиловским известняком на протяжении многих десятилетий облицовывались цокольные части зданий, из него изготавливались декоративные детали фасадов и внутренних помещений, подоконники, ступени лестниц, плиты для мощения полов в храмах, уличных мостовых. Путиловский известняк имеет характерное для осадочных пород залегание, состоит из нескольких слоев мощностью 10-30 см, под ними залегает глинистая подушка. Внутри плит Путиловского известняка встречаются глинистые прослои, еще больше повышающие естественную слоистую пористость породы. Добыча этого камня при помощи ГДШ показала, что по пористым, мелкослоистым породам заметно более эффективно использование патронов ГДШ более мел-кого номинала в большем количестве. Замена одного патрона номиналом 200 гр. на два по 100 гр. сокращает для каждого из них свободный объем в два раза, что дает, соответственно, почти в два раза большее начальное давление, создаваемое пусковым элементом, и значительно более быстрое, равномерное и синхронное нарастание напряжения в плоскости отрыва. За счет этого компенсируется эффект "стравливания" давления газогенератора через поры, трещины и глинистые прослои, происходит более ровный откол, более энергичное отодвигание отдельности от массива и несколько снижается удельный расход ГДШ. Тоже самое происходит при замене 100-граммового заряда на два 50-граммовых. Так, если по расчету удельного расхода ГДШ на тыльную вертикальную плоскость откола, помещенному в [1] для Путиловского известняка необходимо:

                      Qуд = 0,1 х (0,24 х √f + 9/100000+W²/H х p x Z x Ктр)

где 
Qуд - расход, кг/м2; 
Н- высота, м; 
W- глубина заходки, м; 
f- коэффициент крепости породы по шкале профессора М.М. Протодьяконова; 
р - плотность породы, кг/м3; 
Z - коэффициент "зажатости" монолита с флангов - от 0,3 для "свободного" (три свободные поверхности) до 0,45 для "сильнозажатого" монолита с "закрытыми" флангами, представленными субвертикальными трещинами; 
Ктр - условный коэффициент трения по постельной трещине, лежащий в пределах 1,0-1,4. 

В нашем случае, с учетом характеристик камня, для глубины заходки 7 метров и высоты массива 1,8 метра удельный расход получается 0,28 кг/м2. При уменьшении среднего номинала ГДШ вдвое, аналогичный эффект при отделении блока от массива возможно получить при удельном расходе 0,2-0,22 кг/м2, причем откол будет более ровным, сдвигание блока - более равномерным. Надо отметить, что вышеупомянутый прием с уменьшением дозировки горючего в патроны ГДШ в данном случае, как показал опыт, не может быть использован. Повышение начальной скорости горения и газообразования не компенсирует в этих условиях "стравливания" газов, а с учетом снижения максимального давления и работоспособности заметно снижается общий эффект откола. Это выражается в неровной откольной поверхности, недостаточном отодвигании блока от массива, "вспучивании" отдельных пластов.

Весьма интересной с научной и практической точки зрения оказалась работа по проходке траншеи в прочном мергелистом известняке под водой. На реке Волге, в 20 км вверх по течению от Сызрани (село Верхнепечерское), в районе действующего нефтепровода "Дружба", проводились работы по прокладке дополнительной ветки трубопровода. Необходимо было провести рыхление донного известняка на глубине до 26 метров с исключением гидроударной волны, сейсмической и химической нагрузки на окружающую среду, ихтиофауну (район проведения работ является охранной зоной) и действующий на расстоянии 50 метров от места производства дноуглубительных работ нефтепровод. Эти условия категорически исключали применение традиционною метола ведения буровзрывных работ. Выбор инструмента для дезинтеграции породы в месте проходки траншеи остановился на ГДШ, поскольку он по своей природе является недетонационным средством, а продукты горения (в основном NaCl, вода и углекислый газ), по заключению экспертной организации, нетоксичны [2].

Основная сложность применения ГДШ в данных условиях обусловливалась невозможностью осуществить плотную забойку патронов в водной среде с небольшим заглублением в почву - от 0,5 до 2,0 метров. Бурение и зарядка шпуров малого диаметра на такой глубине также представляли крайне трудновыполнимую задачу. В связи с этим было принято решение использовать ГДШ в корпусах увеличенного диаметра — 90-100 мм, и кассетами из стандартных 30-мм патронов. При этом в патроны с увеличенным диаметром устанавливалось по пять электро- пусковых устройств для дублирования и повышения начальной скорости горения. Зарядка ГДШ производилась через У-образное ответвление обсадной трубы после поднятия бурового инструмента диаметром 120 мм на 9 м. После опускания заряда на дно скважины, что контролировалось по уходу магистрали и троса, заряд засыпался забойкой - известняковым щебнем до устья скважины. После срабатывания ГДШ, что контролировалось по глухому звуку, выходу газов на поверхность воды и замеру сопротивления электропусковой цепи, результат дезинтеграции фиксировался водолазами. В случае недостаточного рыхления или прострела производилось следующее забуривание со смещением 0,5 метра. В результате проведения работ было выяснено, что варьирование содержания горючего в пиротехническом составе ГДШ позволяет получить больший эффект рыхления при прочих равных условиях, причем максимальный эффект приходится на содержание топлива 0,75-0,8 от стехиометрического. Для сравнения, в исследованиях по дроблению с помощью ГДШ валунов и железобетонных конструкций [3], оптимальным было выбрано содержание горючего примерно 0,5 от стехиометрического. Различие, очевидно, объясняется тем фактом, что при дроблении валунов и бетона легко обеспечивалась плотная забойка патронов ГДШ в шпурах, а это позволяло повышать скорость нарастания давления уменьшением дозировки горючего, несмотря на снижение максимального давления горения в шпуре, которое все равно многократно превышало предел прочности преграды. Кроме того, в этой работе оптимизация состава ГДШ проводилась не только по эффекту максимального дробления, но и по минимизации разлета осколков, чему способствовало снижение давления и температуры горения с приближением к границе конденсированного состояния NaCl. В нашем случае никакой необходимости снижать давление во избежание разлета осколков нет, поскольку все демпфируется водой. Не-обходимо, наоборот, добиваться максимально быстрого нарастания давления при минимальном снижении пикового давления. Упомянутый в работе [3] подбор катализирующих добавок также внес свой вклад в ускорение горения и конечный эффект рыхления известняков.

Сравнение работы ГДШ в корпусах увеличенного диаметра с кассетами ГДШ стандартного размера показало, что последние, при одинаковом суммарном заряде, действуют эффективнее. Видимо, весьма значительную роль для полноценного сгорания зарядов в условиях слабой забойки (по сути - засыпки) играет именно первоначальное развитие давления. Когда давление нарастает слишком медленно, происходит выталкивание забойки, дополнительное увеличение свободного объема и срыв горения. Если скорость нарастания давления превосходит некое пороговое значение, то инерционность забойки оказывается слишком велика, чтобы достаточно быстро увеличить свободный объем в скважине для срыва горения. Под забойкой в нашем случае можно рассматривать водно-гравийную пробку, поскольку гравий использовался достаточно мелкой фракции и вода в интересующем нас временном интервале (0,01-0,02 сек.) не успевала фильтроваться сквозь него с достаточной скоростью. Видимо, срабатывание штатного электропускового элемента в малом сечении штатного корпуса ГДШ создает достаточно высокое начальное давление для горения. Это подтверждается тем фактом, что при использовании на каждом ГДШ двух электропусковых устройств с обоих концов корпуса эффект рыхления еще усилился. Вероятно, также, что пусковой элемент, размещаемый в штатном корпусе ГДШ по оси, создавал при срабатывании достаточно длинный по отношению к длине патрона канал воспламененной газогенерирующей смеси. В корпусах же ГДШ увеличенного диаметра пять пусковых элементов создавали меньшее начальное давление, и, кроме того, будучи размешенными хаотично в корпусе, воспламеняли изначально значительно меньший процент газогенерирующей смеси, что снижает динамику развития горения. Работа на Волге показала, что ГДШ могут с успехом применяться не только в пористых и малопрочных известняках, но и, в модифицированном варианте, в отсутствии плотной забойки под водой.

ВЫВОДЫ​

Доказана применимость пиротехнических генераторов давления при добыче блочного камня осадочных пород.

Показано, что для пористых пород более эффективно использование газогенераторов с меньшими навесками в большем количестве.

Отмечено преимущество зарядов "кассетного" типа, состоящих из газогенераторов малого диаметра, над зарядами увеличенного диаметра при подводных спецработах в условиях некачественной забойки (засыпки).

Выявлено положительное влияние встречного осевого инициирования процесса горения в патронах ГДШ в условиях разработки трещиноватых массивов.

ЛИТЕРАТУРА​

1. Березуев Ю.А. Применение шпуровых газоге-нераторов давления на карьерах блочного камня // Горный журнал. — Руда и Металлы. - 2008, № 1. — С. 50-52.

2. Заключение по результатам химико- аналитической и токсиколого-гигиенической оценки продуктов сгорания при использовании газогенератора давления шпурового". - СПб.: ФГУП "НИИ Гигиены, профпатологии и экологии человека", 2004.

3. Березуев Ю.А. и др. ГДШ - перспективный инструмент для проведения уникальных строительно-демонтажных работ // Вестник КДПУ им. М. Остроградского. - Кременчуг, 2007. №5/2007,4.1,-С. 101-103.