CC BY
43
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
: ПОСВЯЩАЕТСЯ ПАМЯТИ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОГО
29.01.96-2.02.96 г
Б. Н. КУТ У30 В Московский государственный горный университет
Ресурсбережение при массовых взрывах на карьерах
Использование энергии взрыва в народном хозяйстве в обозримом будущем остается единственным универсальным и наиболее эффективным способом разрушения скальных горных пород при массовых взрывах и проведения выработок, при разрушении металлических, железобетонных и бетонных отслуживших свой срок сооружений и других строительных работах, при упрочнении, сварке и резке металлов в металлургии, при получении новых сверхтвердых материалов, при создании крупномасштабных подземных полостей на больших глубинах и камненабросных плотин, а также во многих других областях,
В последнее десятилетие, несмотря на определенные достижения в этой области теории, техники и технологии [1], коренных сдвигов сделано досадно мало. Основными причинами такого состояния теории и практики взрывного разрушения с точки зрения автора явились:
• недостаточная целенаправленность и координация между странами и институтами проводимых исследований;
• слабость оснащения действующих лабораторий и полигонов, опытных участков измерительной аппаратурой, а также их малочисленность и сложность оформления разрешительной документации на проведение экспериментов и допуска новых ВМ к постоянному применению;
• недостаточное выделение бюджетных ассигнований для выполнения теоретических исследований и недостаточная идейная согласованность проводимых работ;
• монополизация ряда научных и технологических направлений в отраслях, из-за чего разработанные монополистами работы часто оказывались неудачными, а более перспективные тормозились на много лет или сворачивались полностью.
В [1,5] сформулированы основные направления только в области изучения взрывного разрушения трещиноватых массивов при массовых взрывах на карьерах и ассортимента взрывчатых материалов (ВМ).
Весь комплекс исследований этого направления целесообразно разделить на следующие блоки: горный массив, взрывчатые вещества (ВВ) и средства инициирования (СИ), система управления взаимодействия массив - заряды ВВ, [2, 3, 4] техника и технология выполнения массового взрыва, и, наконец, обеспечение безопасности и максимальной экологической чистоты выполения работ [2,5].
1. До настоящего времени в большинстве теоретических работ массив расматри-вается как сплошная среда. Вместе с тем хорошо известно, что все массивы разбиты трещинами различного направления и ширины, причем их ширина и частота изменяется по глубине скважин и удаления от откоса уступа. Волны напряжений, распространяющиеся от взрываемых зарядов, проходят через эти трещины с различной степенью передачи энергии на границе раздела (от 1 до нуля).
Исследования взаимодействия взрыва заряда с трещиноватым массивом изучены пока качественно на модельных материалах (стекло, складные породные образцы) и переход на натуру пока не решен.
На моделях показано [1, 5], что при контактном взрывном воздействии на ближайшие отдельности они разрушаются на большое число частей; отдельности, расположенные за трещинами, разрушаются на небольшое число (3-5 частей), а при достаточной ширине трещины могут просто отбрасываться без разрушения. Чем крепче (прочнее) отдельности, тем больше энергоемкость их разрушения как при контактном взрыве, так и особенно при механическом их соударении. Поэтому для интенсивного дробления крепких крупноблочных массивов необходимо применять высокоплотные (1,4-1,5 г/см3) мощные ВВ со скоростью детонации ^5,0 км/с и повышенные до 0,8-1,2 кг/м удельные расходы ВВ, чтобы достигать высокой интенсивности взрывного воздействия на отдельности и придания им высоких скоростей соударения (>17-20 м/с). Целесообразно при этом использовать встречные, врубовые, диагональные схемы короткозамедленного взрывания зарядов, позволяющие достигать соударения максимального объема разлетающейся при взрыве горной массы. Перспективно также применять для достижения максимально возможного дробления отдельностей и образования в кусках руды скрытой микротрещиноватости, обеспечивающей уменьшение энергозатрат на их последующую переработку, микроза-медленное взрывание с интервалами для соседних зарядов 3 мс и удельных расходов ВВ 1,7-2,5 кг/м3 и более.
На основе изложенного следует, что при взрыве трещиноватого массива имеют место два механизма разрушения: взрывной - под действием волн напряжений, и механический - за счет соударения разлетающихся кусков породы. В настоящее время в наших странах и за рубежом интенсивно развиваются теоретические и экспериментальные исследования передачи энергии при взрыве или при землетрясениях в блочном горном массиве. В этой задаче имеют большое значение оценки блочно-
сти массива и иерархии блочных структур, выполненные нашими геофизиками и горняками (акад. М.А.Садовский, проф. В.Н.Родионов и др.).
Разработка количественных методов определения трещиноватости взрываемого блока является важнейшей фундаментальной задачей использования этих данных для расчета зарядов.
Наиболее простым и достаточно точным является метод оценки основных свойств массива (крепости и трещиноватости) по скорости (энергоемкости) бурения скважин, а также оценки изменения режима вибраций бурового става в процессе обу-ривания блока для взрывания.
По скорости бурения (энергоемкости) определяют крепость отдельностей трещиноватого массива. По изменению режима вибраций бурового става станка определяют момент перехода долота через трещину. При этом происходит увеличение в несколько раз амплитуды и снижение частоты вибраций става. Таким образом, по записи режима вибраций можно определить размеры отдельностей, слагающих массив и ориентировочную ширину трещин. Следует подчеркнуть, что энергоемкость также характеризует степень трещиноватости: более трещиноватые имеют меньшую энергоемкость бурения.
Во многих случаях скорость и энергоемкость бурения скважин изменяются в зависимости от содержания полезного компонента в руде, т.к. прочностные характеристики и трещиноватость руд и вмещающих пород в большей или меньшей степени отличаются.
Сказанное позволяет для каждого карьера составить информационные классификации, по которым в процессе обуривания блоков для массовых взрывов можно определять крепость слагаемых отдельностей, трещиноватость и вещественный состав руды, т.е. иметь всю необходимую информацию для оценки взрываемости массивов, выбирать расчетный удельный расход ВВ, выбирать схему короткозамедленного взрывания блоков и определять содержание полезных компонентов в руде.
Выбор ассортимента промышленных В В определяется крепостью, трещиноватостью и степенью обводненности массива. В КНР.и России значительная часть (до 50% и более) скважин в нижней части заполнены водой, а поэтому для заряжания необходимо применять водоустойчивые ВВ или ВВ в водонепроницаемых оболочках.
Автор считает необходимым с технических позиций расмотреть пути решения проблемы обеспечения открытых горных работ требуемым ассортиментом и в достаточных количествах промышленных ВВ и СИ.
Совершенствование смесевых ВВ для открытых горных работ характеризуется несколькими этапами использования для приготовления ВВ все менее чувствительных (менее опасных) компонентов, делающих ВВ более безопасными в обращении и применении [2], [3], [4]. Эти этапы характерны для мировых технологий создания смесевых ВВ и отличаются только в наименованиях химических компонентов, технологиях и сроках их реализации в промышленных масштабах:
1. Переход от высокочувствительных компонентов (нитро^фиров в динамитах), к менее чувствительным (тротил в аммонитах);
2. Переход от более чувствительных и пылящих при работе с ними порошкообразных к гранулированным ВВ, менее чувствительным, образующим минимум пыли при переработке и допущенным для механизированного заряжания (гранулиты и граммойиты взамен динамонов и аммонитов);
3. Переход на применение бинарных порошкообразных и гранулированных составов без взрывчатых компонентов - применение динамонов и гранулитов, не содержащих взрывчатых компонентов (селитра, соляровое масло, алюминиевая пудра или другая твердая горючая добавка) взамен аммонитов и граммонитов, содержащих тротил.
4. Переход на применение вместо сухих гранулированных ВВ водосодержащих (до 15 % воды), еще более безопасных в обра-
щении и менее чувствительных к средствам их инициирования, не пылящих и не подвергающихся электризации (акватолы и порэмиты взамен гранулитов и граммонк-тов);
5. Переход от транспортирования готового ВВ в зарядной машине на заряжаемый блок к транспортированию отдельных компонентов, большинство из которых не относятся по степени опасности к ВВ (аммиачная селитра, дизельное топливо, горячий загущенный раствор селитры, обратная эмульсия, тротил) и образование ВВ из этих компонентов вблизи заряжаемых скважин на взрываемом блоке путем добавки тротила в горячий раствор селитры в емкость машины или дозатор для получения горячельющихся В В (типа ГЛТ, ифза-нитов и карбатолов), а также смешения с обратной эмульсией (микрокапель раствора селитры, покрытых пленкой из горючего с эмульгатором) с целью активации эмульсии, т.е. превращение ее в ВВ микросфер или газогенерирующей добавки в трубчатом смесителе зарядной машины, откуда смесь поступает в зарядный шланг и уже в скважине эмульсия превращается в водоустойчивое ВВ типа эмулита или порэ-мита.
Для повышения плотности и объемной концентрации энергии ВВ в эмульсию добавляют 25-75 % гранулированной селитры, за счет чего получают тяжелые эмульсии (эмуланы) с плотностью до 1,35 вместо 1,23-1,25 г/см3.
За прошедший период вследствие недостаточного внимания к этим разработкам институтов-разработчиков промышленных ВВ, а также из-за слабой машиностроительной базы министерства - поставщика ВВ, определенной химико-технологической недоработки композиций ГТЛ и ифза-нитов - весь комплекс вопросов, связанных с изготовлением и применением этих В В не вышел из стадии промышленных экспериментальных работ, выполнявшихся пионерами внедрения этих разработок проф. А.Н.Ханукаевым, проф. Г.П.Демидюком рядом крупных предприятий: Норильский ГМК, Лебединский ГОК, Оленегорский ГОК и др.
Главный недостаток суспензионных ГТЛ - в их расслаиваемости вследствие разной плотности раствора селитры и грануло-тола. Не были найдены отечественные загустители, которые обеспечивали бы физическую стабильность скважинного заряда до момента его затвердения при остывании. Работами МГИ, НИИКМА и КМАвзрывп-ром состав ГЛТ был усовершенствован за счет повышения температуры раствора селитры до 100~110°С и создания ВВ типа прямой эмульсии (раствор АС - расплав тротила).
ВВ типа ГЛТ-20 обладает еще одним недостатком, кроме оседания гранулита на дно скважины, В процессе твердения суспензии из нее выделяется вода, которая в верхней части заряда образует конус, заполненный раствором селитры с размерами в диаметре в верхней части от 100 до 200 мм и глубиной до 3,0 м и более. Это можно было считать достоинством данного В В, если бы заряд и в верхней части содержал расчетный процент тротила, т.е. происходило образование конического заряда. Но поскольку в верхней части заряда процент содержания тротила по даннм НИИКМА составляет менее 7-10 %, то такое ВВ обладает недостаточной энергией и выделяет повышенное количество ядовитых окислов азота, приводит к низкому качеству дробления верхней части уступа. На карьере АО Лебединский ГОК за счет введения взамен полиакриламида более совершенного загустителя КФ-800 (США) в количестве 0,07-
0,7 % от массы удалось существенно улучшить качество приготовляемых акватолов.
Ифзаниты, кроме отсутствия водоустойчивости, обладают низкой подвижностью для высокопроизводительной подачи их в скважину с помощью применяемых поршневых или шестеренчатых насосов, а поэтому малопригодны для заряжания обводненных скважин, особенно с проточной водой. Для их применения необходимо использовать перистальтические насосы.
Сложность применения игданитов состоит в том, что для их приготовления нужна не гладкая, удерживающая 2 % солярового масла селитра, а пористая, удерживающая в порах 6 % масла. С гладких гранул
соляровое масло стекает в течение 2-4 часов. В верхней части заряда (2 % АС) формируется ВВ с положительным кислородным балансом, выделяющее при взрыве значительное количество ядовитых окислов азота и с пониженной энергией взрыва. В нижней части заряд флегматизируется стекшим соляровым маслом и, как следствие, наблюдается плохое дробление и проработка нижней части уступа.
К началу 80-х годов в КНР и странах СНГ освоены и внедрены в промышленных масштабах дешевые бестротиловые гранулированные ВВ, изготовляемые вблизи мест их применения или на специальных заводах. Созданные ВВ были неводоустойчивы, а требуемый объем применения водоустойчивых ВВ вследствие углубления карьеров возрастал опережающими темпами по сравнению с ростом общих объемов добычи и потребления ВВ.
Учитывая мировой опыт создания водоустойчивых В В, в КНР были разработаны оригинальные составы эмульсионных ВВ, аналогичных эмулитам. Оригинальность этих составов в том, что при их приготовлении используют эмульгаторы ("ноу-хау"), получаемые из продуктов перегонки нефти, а установка эмульгирования горячего раствора селитр имеет большую емкость (до 1,5 т готовой эмульсии) выполнена в виде цилиндрического бака с мешалкой пропеллерного типа из нержавеющей стали.
Газогенерирующая добавка (нитрит натрия) добавляется в установку эмульгирования. Таким образом вместо невзрывчатой эмульсии на пункте (в установке эмульгирования) получают готовое к употреблению эмульсионное достаточно подвижное ВВ которое с видимыми газовыми пузырьками. ВВ фасуется порциями по 20 кг в мешки многоразового использования с полиэтиленовым вкладышем и транспортируется на склад ВВ, где может храниться до трех месяцев, или непосредственно на взрываемый блок. Заряжание выполняют вручную.
На железорудном карьере Нанфынь | (КНР) построен завод по производству простейших АОТО, эмульсии и аппаратов смешения горючего с газогенерирующей добавкой по патенту фирмы Эрико (США).
Установка приготовления эмульсии находится в отдельном здании и состоит из аппарата растворителя селитры емкостью 12 т с добавкой загустителя («ноу-хау») и двух накопительных емкостей 40 и 60 т загущенного раствора селитры. По гибким трубопроводам раствор селитры насосом подается в цистерну емкостью 16 т транспортно-смесительно-зарядной машины Эрико (США). Снаряженная раствором селитры машина подъезжает к другим зданиям, где в отдельные емкости подаются горючее в смеси с эмульгатором, газогенерирующая добавка («ноу-хау») и горячая вода для промывки. Смешение компонентов происходит в аппарате эмульгирования, приобретенном фирмой у шведской фирмы Нитро-Нобель, непосредственно у скважины.
Таким образом, КНР применяют две разные технологии приготовления эмульсионных ВВ: получая готовое ВВ на пункте или получая готовое ВВ в скважине, смешивая горючее и окислитель, как делается в России. Первая технология применяется при больших объемах применения ВВ.
На карьере Нанфынь успешно применяют водосодержащие водоустойчивые ВВ типа «Сларри» с использованием механизированной технологии американской фирмы «Эрико» [4]. На карьере работают как американские зарядные машины этой фирмы так и изготовленные в Китае.
Таким образом В Китае разумно выбираются ручная или механизированная технология подготовки и заряжания сухих и обводненных скважин гранулированными или водосодержащими ВВ.
В бывшем СССР вместо доработки составов ГЛТ министерство-поставщик ВВ, учитывая опыт других стран, начало разрабатывать составы отечественных эмульсионных В В типа эмулитов. В отличие от последних в составе ВВ использовали отечественный эмульгатор («ноу-хау»), вместо
минерального масла применяли топочный мазут, вместо полых микросфер использовали газогенерйрующую добавку ГГД (нитрит натрия). Созданы зарядные машины Порэмит 1У, а затем институтом Н \\ -ПИГОРМАШ зарядные машины МЗВ-8 на базе КРАЗа грузоподъемностью 8 т т МЗВ-20 на базе БелАЗа-540 грузоподъемностью 20 т.
Промышленные взрывы, проведенные КМАвзрывпромом при испытаниях порэ-мита на карьерах Лебединского и Стойленского ГОКов, показали, что обычный порэмит годен для взрывания трещиноватых пород с коэффициентом крепости по М.М.Протодьяконову до 12, а с добавками 4 и 8 % алюминиевого порошка - для пород любой крепости. Однако не было установлено, почему при опытных взрывах с большими удельными расходами порэмита средний размер куска взорванной горной массы был в 1,5-2,0 раза больше, чем при использовании штатных гранулированных ВВ, Единственным объяснением этого является плохое перемешивание газогенерирующей добавки (ГГД) в смесительном узле зарядной машины «Порэмит», в результате чего фактически детонировала только часть активированной ГГД заряда. Проверить предположение на практике невозможно, так как на зарядной машине нет приборов экспресс-контроля полноты перемешивания компонентов по сечению заряда.
Представители зарубежных фирм Дюпон (США), Нитро-Нобель (Швеция) и другие считают более надежным использовать в качестве активирующего компонента полые микросферы, хотя и в этом случае требуется контроль полноты их перемешивания с эмульсией.
Кроме того, по данным зарубежных исследований для получения высокого качества эмульсии и ВВ необходимо обеспечивать высокую стабильность химического состава исходных компонентов: селитр (с учетом добавок против ее слеживания), алюминиевой пудры, горючей добавки.
В конце 1990 г. в г Асбесте на опытной установке Калиновского завода по производству эмульсии для приготовления порэ-мита во время ее работы произошел взрыв с травмированием 84 чел-, в том числе 15 с летальным исходом. В результате взрыва полностью разрушены здание пункта, все технологическое оборудование и зарядная машина МЗВ-8, стоявшая под загрузкой эмульсии. Окружающие здания других производств получили от воздействия воздушной ударной волны различную степень повреждений и не пригодны без капиталь-ного ремонта к дальнейшей эксплуатации.
Изучение акта расследования аварии показывает, что причина взрыва фактически не установлена, а высказанные версии относятся к категории маловероятных.
Обратная эмульсия представляет собой гомогенную смесь микроскопических капель горячего раствора аммиачной и натриевой селитр» окруженных тонким слоем эмульгированного топочного мазута, который содержит в своем составе (по ГОСТу) легколетучие жидкие фракции и серу. Таким образом, обратная эмульсия содержит в своем составе окислитель, горючее и компоненты, способные ее активизировать без нитрита натрия, применяемого в качестве газогенерирующей добавки.
Кроме того, в процессе эмульгирования в получаемую эмульсию могут захватываться пузырьки воздуха. Отсюда следует, что эмульсия даже без активизации может считаться низкочувствительным взрывчатым веществом с большим критическим диаметром в отличие от горячих растворов селитр, применяемых при изготовлении ВВ типа ГТЛ.
В августе 1993 г. на карьере Лебединского ГОКа через 4 часа после окончания заряжания ГЛТ-20 в процессе первого этапа монтажа взрывной сети без установки КЭДШ-69 (РП-8) произошел преждевременный взрыв, в результате которого погибло 12 человек, несколько человек было травмировано. Выдвинутые наиболее реальные версии преждевременного взрыва следующие:
• реакция между пиритом и горячим раствором селитры;
• трение тротил-гексогеновой шашки ТГ-500 о стенку скважины в процессе технологии монтажа сети;
• нештатное воздействие на ДШ (удар падающего камня, перебивание шнура камнем и т.д.).
Ни одну из перечисленных версий не удалось подтвердить экспериментально, а потому нельзя исключать террористический акт со стороны недовольных работников, тем более в этом случае могли быть подвергнуты самым строгим наказаниям проектировщики взрыва, работники КМАвзрывпрома, рудоуправления и комбината АООТ Лебединский ГОК. Работы по выявлению причины преждевременного взрыва не завершены.
Несомненно, что технология приготовления ВВ типа порэмит оказалась более опасной, чем ГЛТ, а приравняв приготовление эмульсии порэмита к взрывоопасной, мы признаем, что строящиеся пункты для приготовления эмульсий на горных предприятиях - это мастерские приготовления ВВ с необходимостью изменения требований к их размещению, режиму эксплуатации и конструкции. Это в конечном счете приведет к дальнейшему удорожанию строительства, их содержания и снижению уровня безопасности выполнения взрывных работ по сравнению как с заводскими ВВ, так и ВВ типа ГЛТ, тем более, что остался невыясненным инициатор взрыва при авариях. Поэтому на данном этапе целесообразно начать широкое внедрение ВВ типа ГЛТ, а ВВ типа порэмитов должны быть тщательно исследованы в указанных выше направлениях, огромные резервы по снижению стоимости отбойки заложены в широком использовании описанных боеприпасов в качестве компонентов промышленных ВВ.
Мировой опыт создания СИ для скважинных зарядов низкочувствительных В В (гранулированных и водосодержащих) развивался в следующих направлениях:
гп )
• создание детонирующих шнуров (ДШ) повышенной мощности с навеской ТЭНа или гексогена 20-40 г на 1 м для линейного инициирования зарядов без шашек промежуточных детонаторов (ПД), не вызывающих взрыв и переуплотнения ВВ в заряде;
• создание маломощных ДШ с навеской 2-6 г на 1 м для нижнего инициирования зарядов и монтажа сетей, исключения мощного токового воздействия на заряд;
• создание шашек ПД массой 200-400 г, инициируемых как ДШ, так и электродетонатором с заданным замедлением от 20 до 100 и более мс;
• создание трубчатых неэлектрических систем инициирования типа «Нонель» (Швеция).
В КНР в области создания СИ получены перспективные разработки, Так, для многоточечного инициирования зарядов созданы конусообразные (кумулятивные) заряды в пластиковой оболочке массой 100 г с центральным осевым отверстием для пропуска ДШ и фиксацией боевика на ДШ узлом.
Таким образом на отрезок ДШ в заряде можно разместить любое число инициаторов ПД.
Для взрывных сетей разработана детонирующая трубка, аналогичная шведскому «Нонель», но не имеющая соединителей для монтажа разветвленной сети, а иници-
ирование сети производят с помощью магистрали ДШ для электродетокаторов.
Тротиловые шашки промежуточных детонаторов массой 500 г имеют пластиковую оболочку с крышкой на резьбе. Его инициирование осуществляют с помощью отрезка ДШ или детонатора системы, аналогичной «Нонель».
Американская фирма «Инсайд-Бик-форд» выпускает по лицензии шведской фирмы Нитро-Нобель систему, аналогичную «Нонель», но она пока не получила применения во многих странах по условиям подписанного контракта на продажу лицензии,
С целью уменьшения расхода ДШ при взрывании нескольких блоков в карьере применяется их инициирование по радиосигналу, для чего разработаны и выпускаются в России и на Украине две системы «Гром» и «Друза».
В итоге проведенного анализа можно констатировать, что с целью снижения расходов на взрывные работы и снижение их перевозок по железным и шоссейным дорогам предприятия все в большем масштабе будут переходить на применение более дешевых ВВ местного изготовления взамен заводских и увеличивать расчетные расходы ВВ для получения интенсивного дробления горной массы и обеспечения высокопроизводительной работы погрузочнотранспортного, дробильно-размольного и обогатительного оборудования с целью повышения долговечности его эксплуатации и снижения стоимости добычи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочник взрывника. Под общей ред. Кутузова Б.Н. М.: Недра, 1988, с. 509.
2. Безопасность взрывных работ в промышленности. Под ред. Кутузова Б.Н.М.: Недра, 1992, с. 539.
3. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. М.: Недра, 1990, с. 455.
4. Барон В.Л., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных р!абот в США. М.: Недра, 1989.
5. Кутузов Б.Н., Шемякин Е.И. Перспективные направления развития взрывного разрушения горных пород.Горный журнал. 1992, № 3.
© Б Л. Кутузов
