книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие

обеспечивают длительную (в зависимости от объема бункера) непре­ рывную подачу ВВ.

По принципу работы пневматические зарядные установки могут быть эжекторные, нагнетательные, комбинированные.

Основными типами механических зарядчиков являются шнеко­ вые, поршневые, диафрагменные и т. д. Работа этих устройств обес­ печивает как подачу ВВ из бункера в зарядный шланг, так и движе­ ние его по шлангу в заряжаемую полость.

9 1

для ВВ и соединенной с ним эжекторной камеры с сопловой насадаой (трубой) (рис. 287). К камере подключен также зарядный шланг. При подаче сжатого воздуха с большой скоростью в камере создается

5.33

разрежение, вследствие чего ВВ засасывается из бункера и увле­ кается воздушным потоком в зарядный шланг.

В процессе прохождения ВВ через эжекторный зарядчик вслед­ ствие высоких скоростей воздушного потока происходит их интен­ сивное дробление, что в ряде случаев полезно и позволяет лучше заполнить ВВ объем заряжаемой полости, повысить плотность заряда и соответственно скорость детонации. Недостатками этих зарядчиков являются повышенный расход сжатого воздуха, интенсивное пыление и электризация их в работе, что требует принятия соответствую­

дительном выталкивании ВВ из бункера в зарядный шланг сжатым воздухом. Для обеспечения надежной подачи ВВ нижнюю часть бункера выполняют с большой конусностью, тщательной полиров­ кой внутренних стенок п плавностью соединения с выходным рас­ трубом. Эти зарядчики работают эффективно и с большой производи­ тельностью при небольшом давлении и расходе сжатого воздуха и скоростях движения ВВ в зарядном шланге. Однако плотность заряжания у них меньшая, чем у эжекторных.

К о м б и н и р о в а н н ы е — э ж е к т о р н о - н а г н е т а - т е л ь н ы е з а р я д ч и к и основаны на использовании для по­ дачи ВВ из бункера как эффекта эжекции, так и принудительного его нагнетания. Они обеспечивают надежное заряжание шпуров и скважин с производительностью до 40—60 кг/мин. На этом прин­ ципе создан ряд зарядчиков отечественной конструкции и зару­ бежных.

Для заряжания скважин большого диаметра на открытых работах применяют зарядчики и зарядно-смесительные машины с пневмати­

534

ческой, в основном нагнетательного действия, и шнековой пода­ чей ВВ. Они, как правило, смонтированы на шасси грузовых авто­ машин, имеют самостоятельную компрессорную установку и значи­ тельную емкость бункера (цистерны) — до 10 м3, характеризуются высокой производительностью — до 15—20 м3/ч и непрерывностью подачи ВВ.

Наиболее совершенной для открытых работ в настоящее время является универсальная смесительно-зарядная машина СУЗН-5А созданная институтом НИПИГОРМАШ. Она предназначена для заряжания сухих и обводненных скважин различного направления (от нисходящих вертикальных до горизонтальных) гранулитами, зерногранулитами, а также для приготовления в процессе заряжания игданитов и водонаполненных ВВ.

Машина смонтирована на базе автомобиля КрАЗ-256 и имеет бункер емкостью 8,6 м3. Транспортирование ВВ в скважину произ­ водится с помощью сжатого воздуха по гибкому шлангу, сое­ диненному с питателем бункера. Подача ВВ в питатель — шнековая.

Производство сжатого воздуха обеспечивается компрессором производительностью 5 м3/мин, поддерживающим в питателе рабо­ чее давление 5 кгс/см2. Для приготовления водонаполненных ВВ имеются водяные бани с системой подогрева воды выхлопными газами. Подогретую воду подают в питатель и смешивают с селитрой и тро­ тилом. В установке предусмотрены форсунки для подачи в бункер дизельного топлива, необходимого для приготовления игданитов, а также бак на 300 л этого компонента.

Подъем зарядного шланга из скважины производят с помощью специальной лебедки. Работа установки осуществляется в автомати­ ческом режиме с контролем п управлением с пульта, расположенного в кабине автомашины.

Для приготовления водонаполненных ВВ применяют смесительно­ зарядную установку «Акватол-1», созданную институтом Гипроиикель на базе автомобиля КрАЗ-257. Она предназначена для водонаполпенпя с подогревом сухих сыпучих смесей акватолов заводской поставки и может быть применена в любых климатических условиях, включая районы Севера.

Установка имеет бункер для ВВ емкостью 5 м3, бак для воды на 1,5 м3, питатель шнекового типа, лопастной смеситель, циркуля­ ционный насос, насос-дозатор, водосмеснтели с подогревом и другое необходимое оборудование. Питатель установки обеспечивает посту­ пление сухой смеси акватола из бункера, ее водонаполнение и подачу готового ВВ под давлением до 10 кгс/см2 с помощью плунжерного насоса по шлангу в скважину. При этом обеспечивается высокая плотность заряда — до 1,4 г/см3. Производительность установки

5 т/ч.

На основе широкой промышленной проверки установок «Аква­ тол-1» созданы и в настоящее время проходят испытания более со­ вершенные машины: «Акватол-1м», «Акватол-2» и «Акватол-2м».

535

Изготовление, доставка и заряжание скважин горячими, лью­ щимися, водонаполненнымц ВВ (ГЛВВВ) на Норильском ГМК включает пункт подготовки компонентов, пункт приготовления горя­ чего раствора аммиачной селитры и пункт растаривания гранулиро­ ванного тротила, а также зарядного комплекса, состоящего из двух машин: одной — для доставки горячего раствора АС и второй — смесительно-зарядной.

Порядок работ по механизированной зарядке ГЛВВВ состоит в следующем: концентрированный 90%-ный раствор аммиачной

з

Рис. 289. Машина для доставки горячего раствора аммиачной селитры

селитры разогревается до 92—96° С. В качестве теплоносителя попользуется пар давлением 3 кгс/см2 с температурой 143° С, кото­ рый циркулирует по змеевпкам, смонтированным внутри бака. Для разогрева 10 т раствора требуется 3—4 ч. С целью ускорения приго­ товления раствора и предотвращения преждевременной кристалли­ зации смесь селитры с водой постоянно перемешивается. Готовый раствор АС самотеком заливается в доставочпую машину (рис. 289).

На машпне для доставки горячего раствора АС имеется дизельгенератор 1, бак с горячей водой 2, насос для промывки системы 3 п насос для транспортирования раствора аммиачной селитры 4. Гранулированный тротил растаривается па пункте, расположенном

врайоне базисного склада ВМ. Мешки с тротилом подаются на пункт со склада вилочным погрузчиком. Растаренный тротил накапливается

вбункерах, из которых самотеком загружается в смесительнозарядную машину. Здесь же в машину загружается загуститель. Рабочие места пункта растаривания тротила утеплены и оборудованы вентиляцией.

Смесительно-зарядная машина (рис. 290) состоит из двух бунке­ ров под ВВ 1 с дозаторами в нижией части 2, вибропитателя 3, насоса 4, смесительного устройства 5 и емкости под загуститель 6.

Перед заряжанием скважин машины соединяются электрическим кабелем и гибким шлангом, по которому раствор аммиачной селитры подается в смесительное устройство. Сюда же по вибропитателю

5,315

поступает тротил и загуститель. Смесь раствора АС, тротила и загу­ стителя подается в скважину иасосом. По окончании зарядки бак для раствора селитры, шланги и трубопроводы промывают горячей водой.

Комплекс имеет высокую производительность: смесь раствора селитры с тротилом и загустителем закачивается в скважину со скоростью до 2000 кг/мин, т. е. скважина заряжается за 20—30 с. С помощью этого комплекса можно зарядить до 40 скважин в смену* Наличие двух бункеров с дозаторами для сенсибилизатора позво-

1

Рис, 290. Смесытельно зарядная пашина для изготовлеипя и заря­

жания скважин горячими льющимися ВВ

ляет регулировать свойства ГЛВВВ в зависимости от условий взры­

вания.

Высокая скорость истечения струи ГЛВВВ из зарядного шланга вызывает реактивную силу, выталкивающую шланг из скважины, благодаря чему отпадает необходимость в приспособлениях для извлечения шланга. Смесь, обладая достаточной подвижностью полностью вытекает из шланга, облегчая его переноску от скважины к скважине. При заряжании обводненных скважин шланг опускают на дно и извлекают по мере заполнения скважины.

Комплекс может обеспечить ВВ карьер производственной мощ­ ностью до 20 млн. м3 в год.

К постоянному промышленному применению допущена автома­ тическая зарядная машина АЗМ, разработанная в тресте Кривбасевзрывпром и предназначенная для работ с ифзанитами и водонапол­ ненными ВВ. Она смонтирована на базе автомашины МАЗ-509П и имеет бункер для ВВ объемом 7 м3. ВВ из бункера поступает в ка­ мерный дозатор, где осуществляется процесс водонаполнения дозы, общей массой 120 кг. Далее с помощью сжатого воздуха под давле­ нием 1,5 кгс/см2 ВВ по гибкому шлангу подают в скважину. Пре­ дельная дальность транспортирования по горизонтали 8 м.

Имеются п другие зарядные, смесительно-зарядные и транспортно­ зарядные машины для открытых горных работ. Их перечень привё-

537

ден в табл. 93. Эффективное применение всех этих устройств, как уже указывалось выше, может быть достигнуто только при наличии механизированных пунктов подготовки ВВ и их компонентов и за­ грузки.

Г л а в а XXX

ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

§ 127. Ядериые взрывы

Развитие атомной энергии привело к изучению и изысканию перспективных направлений использования ядерных взрывов в со­ зидательных целях. В настоящее время уже очевидна высокая эффективность использования ядерных взрывов для решения многих инженерных задач.

Для изучения этой проблемы в СССР и США разработаны спе­ циальные программы: «Плаушер» — в США; «Программа пспользоваипя подземных ядерных взрывов в народном хозяйстве» — в СССР. В результате этих исследований, учитывая специфические особен­ ности подземных ядерных взрывов, определены следующие области возможного их применения: интенсификация нефтяных и газовых месторождений; создание подземных хранилищ природного газа, газоконденсата п нефтепродуктов; создание подземных емкостей для захоронения биологически вредных отходов предприятий; подземная разработка рудных месторождении; подземная газифи­ кация угля; вскрытие месторождений полезных ископаемых при разработке открытым способом; дегазация и подготовка угольных месторождений; строительство каналов, водохранилищ и гаваней; строительство набросных плотин гидростанций и др.

Перспективность мощных ядерных зарядов обусловлена чрез­ вычайно низкой стоимостью единицы количества энергии, выде­ лившейся при взрыве. В сравнении с химическими ВВ выигрыш здесь может быть получен во много раз. Кроме того, ядерные заряды очень компактны, что позволяет размещать их в скважинах сравни­ тельно небольшого диаметра, экономя таким образом на буровых работах. Так, по данным Комиссии по атомной энергии США (КАЭ), заряды мощностью до 50 кт (килотонн) имеют диаметр всего 28 см, от 50 до 200 кт — 51 см и свыше 200 кт — 61 см.

Ядерные заряды характеризуются обычно тротиловым эквива­ лентом, т. е. массой заряда ТНТ (триниротолуола) в тоннах, при взрыве которого выделяется та же энергия, что и при ядерном взрыве. Мощность ядерных зарядов колеблется в весьма широких пределах: от 0,015 кт до 50 мт и более. Заряды до 10 кг считаются зарядами малой мощности, от 10 до 100 кт — средней мощности, а свыше 100 кт 1— зарядами большой мощности.

538

Взрыв ядерного устройства начинается при образовании крити­ ческой массы ядериого ВВ и представляет собой неконтролируемую цепную реакцию деления ядер под действием быстрых нейтронов. В результате этой реакции в течение нескольких микросекунд выде­ ляется огромное количество энергии, развиваются высокие темпера­

Вследствие развивающихся при ядерном взрыве огромных давле­ ний и температур, значительно превосходящих давления и темпера­ туры при взрыве химических ВВ, действие ядерного взрыва на среду, в частности горную породу, существенно отличается от процессов, происходящих при взрыве химического ВВ. В качестве примера можно указать на взрыв «Рейнир» (мощность 1,7 кт, США), когда

В таких условиях горная порода мгновенно испаряется на расстоя­ нии до 0,1 радиуса полости, образующейся при взрыве, в результате чего теряется значительная доля энергии и снижается температура. Однако энергии продуктов радиоактивного распада и ударной волны еще хватает на плавление окружающих пород, причем, как показы­ вают исследования французских ученых, на каждую 1 кт мощности заряда плавится около 600 т горных пород. При распространении ударной волны по породе происходит дробление и смещение среды,

врезультате чего образуется полость взрыва. За пределами зоны дробления и трещиноватости ударная волна настолько ослаблена, что не производит практически никаких разрушений, вырождаясь

всейсмическую волну. Учитывая, что при ядерном взрыве происхо­ дит испарение и плавление окружающей среды, последствия взрыва

вгорных породах в значительной мере обусловлены присутствием

вних воды и летучих компонентов, образующих в совокупности продукты взрыва. Это в конечном итоге приводит к результатам, отличающимся от взрывов эквивалентных им зарядов химических ВВ.

Проресс выделения энергии при ядерном взрыве заканчивается

втечение микросекунд. В последующие несколько миллисекунд происходит образование максимальной полости взрыва, причем рас­ ширение полости происходит до тех пор, пока внутреннее давление

вполости не сравняется с горным давлением на данной глубине заложения заряда от поверхности земли.

Завершается взрыв установлением квазистатического равно­ весия в образовавшейся полости взрыва. При камуфлетном взрыве, как правило, полость имеет форму, близкую к форме шара, запол­ ненного на треть диаметра расплавленной породой.

Зона дробления пород составляет (1,5-^-3) 7?п, где R n — радиус полости взрыва, а зона трещиноватости распространяется до {Шп* Дальнейшее состояние полости зависит от устойчивости вмеща­ ющих пород и ее диаметра. Как правило, через несколько секунд (иногда и через более длительное время) полость обрушается с обра­

5 3 »

зованием так называемой трубы обрушения. Высота ее составляет около 10Rn. В слабых горных породах труба обрушения зачастую развивается до поверхности земли с образованием правильной во­ ронки.

Радиус полости взрыва можно определять по формуле Наккольса, которая, несмотря на ряд допущений, удовлетворительно согла­ суется с результатами инструментальных замеров при реальных взрывах:

вмещающих горных пород, г/см3; Н3 — глубина заложения заряда, м; кп — эмпирпческпй коэффициент, зависящий от физико-механи­ ческих и химических свойств породы взрываемого массива.

После окончания формирования полости и трубы обрушения наступает долговременная фаза. На этой фазе механическое пере­ мещение пород прекращается, однако термодинамическое равно­ весие еще не достигнуто, так как в течение долгого времени тепло п газы продолжают рассеиваться, а давление постепенно сни­ жается. Распад радиоактивных пзотопов может длиться многие годы.

Как и при взрывах химических ВВ, при ядерном взрыве разли­ чают камуфлетные взрывы (взрыв внутреннего действия) и взрывы на выброс (взрыв наружного действия).

трещиноватости н образовании подземных емкостей в результате уплотнения массива. В Советском Союзе имеется много месторожде­ ний нефти, газа и руды, при разработке которых целесообразно при­ менять камуфлетные ядерпые взрывы.

На рис. 291 в качестве примера показана схема подземного нефте­ хранилища, созданного ядерным взрывом. Несмотря на то что полость взрыва заполнена обломками обрушившихся пород, свободного пространства между ними достаточно для размещения значительного количества газа пли жидкости. Общая емкость таких хранилищ весьма велика и составляет 2,4-103 м3 и более.

В настоящее время существует уже несколько проектов промыш­ ленного использования камуфлетных ядерных взрывов.

Я д е р н ы е в з р ы в ы н а в ы б р о с принципиально позво­ ляют выполнять практически сколько угодно большие по объему работы по переброске пустой породы, покрывающей рудное тело. Это особенно важно в неосвоенных районах и в горной местности. Экономическая эффективность подобных работ тем выше, чем больше масштабы взрыва н будущего карьера. Это обусловлено тем;' что стоимость ядерных зарядов растет с увеличением мощности примерно по-логарифмическому закону и для очень больших зарядов энергия,

540

выделяемая при взрыве, становится дешевле электрической энергии, вырабатываемой современными тепловыми станциями. Зависимость линейных параметров воронки взрыва от мощности заряда выра­ жается эмпирической формулой

взрыва, кт; сг — эмпирический коэффициент.

Рис. 291. Схема подземного нефтехранилища, созданного ядерным

взрывом

В угольной промышленности ядерные взрывы могут найти приме­ нение для дегазации пластов угля, залегающих на большой глубине, и для снятия напряжений в выбросоопасных породах в результате встряхивания массива и интенсивного образования в нем трещин.

Применение промышленных ядерных взрывов в широких масшта­ бах сдерживается на современном уровне развития техники двумя отрицательными факторами: радиоактивным заражением среды,, и значительным сейсмическим эффектом.

Источниками радиоактивного излучения являются, с одной сто­ роны, продукты распада (при атомном взрыве) или синтеза (лри-тер-

541

моядерном взрыве) и с другой — радиоактивные изотопы, которые образуются при облучении пород мощным потоком нейтронов, сопровождающим ядерные реакции.

Ожидаемая суммарная радиоактивность через 1 ч после взрыва, по данным американских исследователей, может быть определена ориентировочно по эмпирической зависимости

К моменту обрушеиия полости радиоактивные продукты взрыва, оставшиеся в газообразном состоянии, распространяются во всем объеме полости обрушения и большая их часть сорбируется облом­ ками. Опи и представляют наибольшую потенциальную опасность. Наведепная активность значительно менее опасна. Кроме того, ней­ троны ядерного взрыва поглощаются породой в пределах 1,8 м от центра взрыва. Таким образом, вся облученная порода распла­ вляется, испаряется п фактически целиком попадает в расплав породы на дне полостп. Всего в расплаве оказывается около 90 радиоактивных продуктов при ядерном взрыве. В случае наличия в по­ роде достаточного количества алюминия п кремнезема радиоактивный расплав не способен выщелачиваться под воздействием грунтовых вод в течение столетий, сохраняя 99,5% радиоактивных частиц.

Основными мерами по снижению радиоактивного загрязнения среды является применение зарядов, образующих минимум радио­ активных частиц при взрыве (так называемых чистых зарядов), и недопущение проведения взрыва в породе, содержащей элементы, образующие долгоживущие изотопы. С точки зрения радиационной безопасности камуфлетные взрывы представляют меньшую опасность, чем взрывы на выброс, поскольку при камуфлетных взрывах не про­ исходит или очень ограничен разброс и утечка радиоактивных частиц.

Взрывы зарядов большой мощности вызывают сотрясения земли в масштабах, вполне сопоставимых с теми, которые наблюдаются при землетрясениях. Это заставляет обратить серьезное внимание на вопрос обеспечения безопасности различного рода сооружений, расположенных в районе взрывных работ. Сейсмическая опасность того или иного взрыва оценивается в мировой практике скоростью смещения частиц поверхности земли у основания охрапяемого зда­ ния или сооружения.

При подземных ядериых взрывах скорость смещения можно опре­

где игм — скорость смещения поверхности, см/с; Q„ „ — мощность ядерного взрыва, кт; R 3 — расстояние от эпицентра взрыва, км; к — коэффициент, учитывающий грунтовые условия и равный 0,014 для аллювия, 0,0359 для туфов, 0,0862 для гранита.

' 542