Об отделении монолита декоративного камня

Среди существующих технологий откола монолитов декоративного камня наиболее производительной является взрывная технология с помощью ДШ. Но требования к качеству блочной продукции сегодня растут, поэтому механические способы отделения становятся все более привлекательными, невзирая на их меньшую производительность.

Природный декоративный камень – достаточно дорогой материал, поэтому основным требованием для взрывного способа отделения является наименьшее повреждение монолита. Также важным параметром является достаточное отодвигание от массива, что значительно влияет на скорость, простоту, качество последующего разделения на блоки.

При применении взрывного отделения из-за действия силы взрыва в около шпуровом объеме всегда нарушается монолитность. Образуются радиальные трещины, что нарушает монолитность на глубину 10-15 диаметров шпура. [3]

Учитывая сказанное, разработка новых технологий “мягкого” взрыва является достаточно актуальной для улучшения качества отделения блоков природного декоративного камня.

Попробуем углубиться в технологию буровзрывного способа откола. Существенная задача, при использовании взрывчатых веществ для раскола природного камня, заключается в том, чтобы энергия сконцентрированная во взрывчатом химическом веществе была размещена должным образом и в достаточном количестве, что позволит руководить направлением и качеством взрыва для повышения эффективности раскола и выхода блоков.

Взрыв – это, согласно высказываниям французского химика Г. Барселота, “внезапное расширение газов в объеме намного более большом чем начальный, что сопровождается шумом и сильными механическими эффектами”. [4]

Известные виды взрыва: механический, электрический, ядерный и химический. Нас интересует именно последней из перечисленных.

Коммерческие взрывчатые вещества представляют собой смесь горючих и окисляющих веществ, которые, при правильной инициации, вступают в мгновенную экзотермическую реакцию, в результате которой генерируются серии высокотемпературных газовых продуктов, которые более химически стойкие и занимают намного больший объем.

Фактор скорости протекания реакции взрыва чрезвычайно важен. При том, что взрывчатые вещества имеют небольшую энергоемкость (TNT, 1120 кл/кг) сравнительно с другими горючими веществами (антрацит, например, 7000 кл/кг), скорость реакции с высвобождением энергии настолько высока, что может проделать отверстие в металлической пластине за доли секунды с меньшей затратой энергии чем простые горючие вещества за намного большее время. Газовые продукты взрыва нагреваются и расширяются до объема, который может быть в 10000 раз больше объема шпура, куда было заложено взрывчатое вещество.

Попробуем рассмотреть и проанализировать механизм взрыва взрывчатых веществ, применяя основные понятия из термохимии. Химические взрывчатые вещества, в зависимости от условий в которых они взрываются, могут повести себя не так, как можно бы было ожидать от их природы. Процесс распада химических взрывчатых веществ состоит из: фактически окисления, дефлаграции и, наконец, детонации.

В литературе [4] процесс дефлаграции определяется как экзотермический процесс, при котором реакция распада взрывчатого вещества базируется, преимущественно, на теплопроводности.

Это поверхностное явление, при котором дефлаграционный фронт продвигается через взрывчатое вещество в параллельных слоях с низкой скоростью, что, конечно, не превышает 1000 м/с. [4] Это явление можно использовать при разработке новых взрывчатых веществ, негативное влияние которых на монолиты, блоки и массив природного камня был бы значительно меньше.

При детонационном взрыве, в отличии от реакции дефлаграции скорость первых молекул газа настолько большая, что они провоцируют нагревание и отрыв следующих молекул через взрывную волну, не теряя своего тепла из-за теплопроводности на нагрев зоны, которая еще не принимает участия в реакции. Так генерируются новые и новые газовые молекулы. Этот процесс повторяется пока не охватит все взрывчатое вещество и называется он ударной взрывной волной. [4]

Энергия, которая продуцируется процессами детонации и дефлаграции, может быть использована по-разному. Все зависит от назначения взрывчатого вещества. Явление дефлаграции может быть использовано в газогенераторах, где необходима, сравнительно с детонацией, невысокая скорость нарастания давления.

При распространении взрыва в газовой или конденсированной среде можно определить три характерные зоны (рис.1)[1]:

· зона начальной смеси (невыгоревший полностью остаток) – U;

· зона реакции – R;

· зона продуктов сгорания – Pr.

дефлаграция детонация

Рис. 1 Схема распределения давления при детонации и дефлаграции: U – зона начальных продуктов; R – зона реакции; Pr – зона продуктов сгорания; ΔP - перепад давления

Из рис.1 видно, что при дефлаграционном процессе давление нарастает постепенно, в отличие от процесса детонации. Здесь нет мгновенного скачка давления с огромным высвобождением энергии, большая часть которой идет на разрушение ценного блочного камня. Следовательно, при применении именно реакции дефлаграции (при отколе монолитов буровзрывным способом) можно существенно уменьшить потери и увеличить выход блоков.

Проанализируем критерии выбора взрывчатого вещества. Выбор взрывчатого вещества представляет собой один из параметров, которым специалисты могут руководить при проведении соответствующих работ. Выбор типа взрывчатки – важная часть проектирования взрывных работ, что соответственно влияет на будущие результаты. Те, кто применяют взрывчатые вещества достаточно часто, привыкают к определенным типам ВВ и определенных схем их применения и могут ошибочно считать, что их способ наиболее правильный и экономичный, как правило, не принимая во внимание ряд факторов, которые обязательно должны быть проанализированы для лучшего выбора. Это такие факторы как: стоимость взрывчатого вещества, диаметр заряжения, физико-технические свойства пород, объем откалываемого монолита, содержание воды в шпурах (скважинах), условия безопасности и проблемы поставки.

Стоимость взрывчатых веществ. Очевидно, что стоимость взрывчатых веществ это очень важный критерий выбора. Для начала нужно выбрать самую дешевую взрывчатку, которая при этом удовлетворила бы производственные потребности.

Взрывчатые вещества на основе нитрата аммония всегда были одними из самых дешевых, теперь химические генераторы давления (тоже на основе нитрата аммония) могут составить им достойную конкуренцию (стоимость, в среднем, 1050 руб/кг). Химические генераторы давления имеют также ряд других преимуществ. Это безопасность, простота хранения, транспортировка и использование. В отличие от, например, игданита, химические газогенераторы не боятся шпуров с большим содержанием воды и очень просты в заряжании.

Диаметр заряжения. Использование химических генераторов давления позволяет закладывать заряд в шпуры малых диаметров, что также уменьшает объемы буровых работ и потери сырья. Существует возможность исследовать выбор оптимального диаметра заряжения и разработать методику его подбора.

Газообразные продукты детонации. Хотя много взрывчатых веществ изготовляются так, чтобы их кислородный баланс давал максимум энергии при минимуме образования токсичных газов, все же, в большинстве случаев, формируется какое-то количество опасных азотных и чадных газов. С точки зрения безопасности работ и охраны окружающей среды количество токсичных продуктов детонации должно быть максимально уменьшено.

Пластиковые патроны для взрывчатых веществ, неадекватные диаметры заряжения или неэффективные системы инициации могут быть причинами повышения шума при проведении взрыва. Сниженный шум и повышенная безопасность при использовании химических генераторов давления также открывает новые возможности для их широкого использования и совершенствования.

Условия безопасности. Не всегда легко достичь баланса между чувствительностью и безопасностью взрывчатого вещества. С большинством взрывчатых веществ возникают проблемы при их складировании, транспортировке и использовании из-за их повышенную чувствительность. Эта проблема легко решается при применении химических генераторов давления. Они безопасны в эксплуатации, при достаточной чувствительности для проведения инициации с помощью электрического детонатора.

На сегодня известны несколько разработок средств, так называемого, медленного или мягкого взрыва, где применяется сниженная скорость детонации или явление дефлаграции.

Американские растворы нитрата аммонию с примесями органического топлива (ANFO), которые выпускаются с разными составами смеси, и, соответственно, с разными свойствами. Достаточно просты и безопасны в использовании, есть возможность механического автоматизированного заряжения, но возникают определенные трудности, если стоит влажная погода или в шпурах есть вода, из-за значительной гигроскопичности этих средств.

В России в опытно-промышленном порядке Федеральным государственным унитарным предприятием “Новосибирский завод “Искра”" выпускают заряды мягкого взрыва (ЗМВ-10-2; 3) [2].

Заряд ЗМВ-10-2 состоит из шнура, что детонирует, средней мощности с линейным весом ВВ (ТЕН) 10 г/м, который размещается в центре, и оболочки из взрывчатого вещества фугасного действия – аммиачной селитры с линейной массой 138-141 г/м в смеси с углем – 9-12 г/м.

В Украине на многих карьерах блочного камня применяют химические генераторы давления “Литокол”, принцип действия которых базируется на явлении дефлаграции газогенерирующей смеси с выделением большого количества газов, которые работают на откол монолита или блока.

Генератор давления химический “Литокол” представляет собой полимерный цилиндровый корпус закрытый с обеих сторон полимерными пробками, которые обеспечивают герметизацию внутренней полости корпуса. Внутри размещенная газогенерирующая смесь и пускатель электрический.

Выводы:

1. растущие потребности мирового рынка в природном камне и повышенные требования к его качеству нуждаются в развитии новых, более дешевых и более качественных технологий отделения монолитов и блоков;

2. с точки зрения охраны окружающей среды, технологии должны становиться безопаснее, оказывать меньшее негативное влияние на окружающую среду;

3. новые технологии должны удовлетворять требованиям безопасности, их использование, транспортировка и хранение должно становиться безопаснее и проще;

4. при переходе на более безопасные технологии должны исчезать проблемы с получением разрешений на проведение работ и упрощаться бюрократическая система ведения соответствующих работ, которая влияет на сложность производства и себестоимость продукции из природного камня.

Автор: Лукащук Александр