Взрыв и взрывчатые вещества

6. Применение взрывчатых веществ в народном хозяйстве

Самый старый и основной потребитель взрывчатых веществ в народном хозяйстве — это горная промышленность. При добыче полезных ископаемых их приходится отделять от массива в виде кусков таких размеров, которые удобны для погрузки и перевозки, а также для последующей обработки.

До XVII века эта работа производилась без помощи взрывчатых веществ. Рисунок 18, взятый из руководства по металлургии XVI века, показывает, как велась добыча руды 400 лет назад. В шахте разводился костер, который разогревал породу. Нагрев и последующее охлаждение вызывали образование трещин, которые облегчали отделение кусков руды. Это была крайне непроизводительная, тяжелая работа.

Рис. 18. Горные работы в XVI веке (Из книги Агриколы «О получении металлов» 1556 г.).

В настоящее время только добыча очень мягких пород, например песка или глины, производится без применения взрывчатых веществ, с помощью экскаваторов, скреперов и других машин. Сравнительно слабые породы, например, некоторые виды каменного угля, можно отделять от пласта при помощи отбойного молотка. Разработка более крепких пород требует уже более сильных воздействий, которые и получают при помощи взрывчатых веществ.

Применение взрывного метода резко снижает трудоемкость горных работ. На выломке каменной глыбы для Александровской колонны, установленной в свое время в Петербурге, работа производилась полностью ручным способом; этим делом было занято в течение двух лет 600 человек. Объем колонны в необработанном виде составлял 700 кубических метров. Всего было затрачено 160 000 человекодней, или 228 человекодней на каждый кубический метр породы. При самых же несовершенных способах взрывания затрата труда составляет лишь 0,4 человекодня на кубический метр, а при современных способах она может быть снижена до 0,008 человекодня.

Способы ведения взрывных работ разнообразны. Простейший из них — способ накладных зарядов. Как показывает само название, при этом способе заряд взрывчатого вещества просто накладывают на объект, который должен быть разрушен, например на валун (рис. 19), или закрепляют на нем сбоку. Способ накладных зарядов хорош тем, что не требует много времени для проведения взрыва. Основной же его недостаток заключается в очень большом расходе взрывчатого вещества; на кубометр разрушаемой породы его идет в 10–15 раз больше, чем при других способах, при которых заряд взрывчатого вещества помещается внутри разрушаемого объекта.

Рис. 19. Накладной заряд.

Малая эффективность этого способа обусловливается тем, что только в начальный момент газы взрыва производят сильное давление на разрушаемый объект, а затем вследствие расширения газов давление резко падает. Чтобы затруднить и замедлить это падение давления, на заряд обычно помещают так называемую забойку в виде куска сырой глины или другою материала (рис. 20); основное назначение ее — задержать расширение газов взрыва и усилить таким образом их разрушительное действие.

Рис. 20. Накладной заряд с забойкой.

В промышленных взрывных работах способ накладных зарядов применяют для дробления валунов при очистке от них полей и при дроблении слишком больших кусков породы, которые иногда могут получаться при ее добыче другими взрывными способами.

Наиболее распространенными являются способы, при которых в массиве делают углубление, заканчивающееся в том месте, где должен быть расположен заряд взрывчатого вещества. После помещения заряда свободную часть углубления — она должна быть не меньше одной трети его длины — заполняют песком, глиной и т. п., преграждая газам взрыва выход наружу. Таким образом, взрыв происходит в замкнутом пространстве, и действие ею от этого сильно возрастает.

Форма и размеры углубления могут быть различными. Так, например, при шпуровом способе (рис. 21) углубление имеет цилиндрическую форму, диаметр его составляет 30–50 миллиметров, а длина доходит до 5 метров.

Рис. 21. Шпур с зарядом взрывчатого вещества.

Шпуровой способ широко применяется при проведении подземных подготовительных работ и для откалывания добываемой породы, особенно в тех случаях, когда толщина ее пластов незначительна.

Однако этот способ, который до недавнего времени был единственным способом ведения промышленных взрывных работ, мало экономичен, так как требует большой затраты труда и средств на бурение шпуров.

Более совершенным в этом отношении является способ котловых зарядов (рис. 22). В донной части обычного шпура путем одного или нескольких последовательных взрывов небольших зарядов получают расширение, называемое котлом. Котел и часть шпура заполняют взрывчатым веществом; в остальном выполнение работы такое же, как и при обычном шпуровом способе.

Рис. 22. Способ котловых зарядов.

При таком способе затрата труда на бурение сильно сокращается, особенно при шпурах большой (до 9 метров) глубины. Потребность в рабочих-бурильщиках на одном из карьеров при переходе от шпурового способа к способу котловых зарядов сократилась в восемь-девять раз.

При работе шпуровым способом обычно взрывают одновременно несколько шпуров. Это дает наилучшее разрушение горного массива. При этом важное значение имеют правильное расположение шпуров относительно обнаженной поверхности породы, относительно друг друга, а также последовательность взрывания.

Для обрушения высоких уступов, имеющих отвесные стенки, применяют способ взрывания колонковыми зарядами (рис. 23). Вдоль края уступа пробуривают ряд вертикальных скважин глубиной, несколько превышающей высоту уступа. Заряд помещают в скважине в виде сплошной или прерывистой колонки (отсюда и название способа). Диаметр скважины, выбуриваемой в породе, гораздо больше, чем при шпуровом способе, — до 250 миллиметров; соответственно больше и глубина канала — от 10 до 30 метров. Заряды, как правило, взрываются одновременно, обычно электрическим способом.

Рис. 23. Способ колонковых зарядов.

При прокладке канала в крепком грунте на Вахшстрое в Таджикистане способ колонковых зарядов дал увеличение производительности труда почти в шесть раз по сравнению с обычным способом неглубоких шпуров.

Во взрывном деле применяются также способы массовых взрывов, при которых используются очень большие заряды — весом в тонны, десятки и даже сотни тонн. В зависимости от характера производимой взрывом работы различают взрывы на обрушение, на выброс и на сброс.

В первом случае массив породы разрушается действием взрыва, обрушивается за счет собственного веса, подвергаясь при этом дополнительному дроблению, и размещается вблизи забоя.

При взрыве на выброс порода выбрасывается за счет энергии взрыва, и в результате образуется выемка — траншея, канал, котлован.

Взрывом на сброс образуют площадки на косогорах и вскрывают пласты полезного ископаемого.

При взрыве на обрушение в нижней части массива проходятся горизонтальные штольни, заканчивающиеся одной или несколькими камерами. В этих камерах размещаются заряды взрывчатого вещества. После зарядки штольни заполняются забойкой. При взрыве порода в нижней части массива выбрасывается, а верхняя ее часть под тяжестью своего веса обрушивается в образованное взрывом пространство. Этот способ дает большую экономию в бурении — до 90 процентов — по сравнению со шпуровым способом.

При взрывах на выброс и на сброс применяют более сильные заряды, чем при взрывах на обрушение. Взрыв здесь должен не только разрушить и раздробить массив, но и выбросить раздробленную породу с достаточной скоростью, так, чтобы она двигалась расходящимся снопом и была бы поэтому разбросана в стороны от места расположения заряда. Для помещения зарядов при взрыве на выброс проходятся вертикальные углубления — шурфы, от которых отводят горизонтальные штольни, заканчивающиеся камерами для расположения зарядов (рис. 24). При одиночном заряде взрыв образует воронку (рис. 25), а при одновременном подрыве ряда зарядов — траншею. Выброшенный грунт образует гребни по ее бокам.

Рис. 24. Размещение заряда при взрыве на выброс.

Рис. 25. Образование воронки при взрыве на выброс.

Наибольшие в мире по масштабам и эффективности массовые взрывы были проведены в нашей стране в годы первых пятилеток.

При одном из крупнейших взрывов, произведенном на Урале близ Коркино 16 июля 1936 года по проекту и под руководством инженеров Папоротского и Селевцева, было взорвано одновременно 1808 тонн взрывчатых веществ. Взрыв должен был сбросить породу, закрывавшую залежи угля, чтобы дальнейшую разработку месторождения можно было вести открытым способом. В том месте, где было намечено произвести взрыв, мощный пласт бурого угля залегал на глубине около 20 метров. Было заложено 36 зарядов на глубину от 13 до 18 метров и на расстоянии до 30 метров друг от друга. Для закладки зарядов были вырыты колодцы, от которых на определенной глубине отводили короткую горизонтальную галерею, заканчивавшуюся зарядной камерой. Одновременный взрыв всех зарядов осуществлялся электрическим способом.

Точно в 12 часов по сигналу радиостанции г. Свердловска был включен рубильник взрывной сети. На фронте 900 метров мгновенно выросла стена земли (рис. 26). Вслед за тем с огромной силой вырвались взрывные газы, увлекая с собой размельченный грунт. Через 3–4 секунды газовое и пыльное облако заняло площадь до 2 квадратных километров и двинулось по ветру. Высота ею составляла около 400 метров. Высота выброса грунта доходила до 625 метров. Гигантское надвигавшееся облако, окрашенное образовавшимися при взрыве окислами азота в красно-бурый цвет, при ярком солнечном освещении представляло фантастическое и грозное зрелище.

Рис. 26. Взрыв близ Коркино (Урал).

Разрушительное действие воздушной взрывной волны, несмотря на большую величину заряда, было сравнительно незначительным. Так бывает всегда, если правильно рассчитан и заложен заряд; в этом случае максимально возможная часть энергии взрыва используется на совершение полезной работы. Кирпичные и деревянные строения, находившиеся на расстоянии 350–400 метров, не были повреждены. Разброс грунта не превышал 450 метров.

Чтобы определить границы разрушительного действия воздушной волны на различных расстояниях, были установлены деревянные щиты. На расстоянии до 500 метров с одной стороны и до 700 метров с другой щиты были опрокинуты.

Сотрясение грунта было весьма значительное. Люди, стоявшие от места взрыва на расстоянии 1250 метров, рассказывали, что столбы электросети закачались, как деревья при сильном ветре.

Колебания почвы были зарегистрированы сейсмическими станциями Свердловска, Москвы и Пулкова.

Взрывом в Коркино была образована траншея длиной 900 метров, шириной 85 метров и глубиной до 20 метров. Было выброшено 800 000 кубических метров грунта.

При таких больших взрывах очень важно знать зоны разрушений, которые возникают в районе взрыва под действием ударных волн, распространяющихся и в воздухе и в земле. Методы расчета этих зон были разработаны М. А. Садовским, М. Н. Косачевым и С. В. Медведевым, удостоенными за эту работу Сталинской премии за 1947 год.

Большой массовый взрыв был проведен по проекту и под руководством инженеров Богородского и Татарникова в 1949 году на строительстве одной электростанции. Для ее водоснабжения нужно было соорудить канал объемом около 240 000 кубических метров. Выполнение работы при помощи двух имевшихся на строительстве экскаваторов потребовало бы полутора — двух лет. Взрывным способом канал был построен в течение пяти месяцев.

При массовых взрывах иногда бывает целесообразно получить направленный преимущественно в какую-либо одну сторону выброс подрываемой породы. В таких случаях применяют направленный взрыв. Закладываются два ряда зарядов: первый ряд состоит из более слабых зарядов; при взрыве они дробят и подбрасывают вверх прилегающую массу грунта. Одной — тремя секундами позже взрывают второй ряд более сильных зарядов. Действием этого взрыва грунт, поднятый в воздух взрывом первого ряда, отбрасывается в какую-нибудь одну сторону.

Самый большой направленный взрыв был произведен для вскрытия Ирша-Бородинского угольного месторождения в 160 километрах от г. Красноярска. Взрывом, произведенным в четыре приема, была образована выемка глубиной около 20 метров, длиной 400 метров и шириной поверху от 85 до 125 метров. Было израсходовано 1860 тонн взрывчатых веществ. Всего при взрывах было выброшено 391 000 кубических метров породы. При этом на один борт выемки было выброшено 60, а на другой — 40 процентов породы.

В последние годы массовые взрывы были применены для новой цели — для мгновенного преграждения рек. Такие взрывы применяются главным образом для получения временных перемычек, необходимых, например, при сооружении плотин.

Для этого выбирают участок реки с одним или двумя обрывистыми берегами, что обычно бывает в местах поворота русла. В крутом берегу устраивают камеры для зарядов взрывчатого вещества. При взрыве породы берега ложатся на дно реки, образуя достаточно плотную перемычку, способную выдержать напор воды.

Вот как удалось обуздать разбушевавшуюся реку, используя массовый взрыв.

Весенний паводок на реке Ангрен в Узбекистане в 1948 году был очень бурным; количество воды было в несколько раз больше, чем обычно. Мощный поток воды хлынул в прилегающие арыки и овраги, переполняя их и вызывая обрушение берегов. В одном из ущелий глубиной до 25 метров обрушился правый берег арыка и перекрыл русло, преградив путь воде, которая, переливаясь через берег арыка, попадала в большой овраг, перегороженный в нижней части защитной дамбой. У этой дамбы образовался большой водоем, уровень которого стремительно повышался. Меры, принятые для наращивания дамбы, оказались недостаточными. Объем воды у дамбы скоро достиг 12 миллионов кубических метров. Прорыв ее привел бы к затоплению многих селений и обширных посевов денных культур. Катастрофа была предупреждена при помощи взрыва. Выше по течению было выбрано место, наиболее благоприятное для создания перемычки: крутой берег в месте изгиба русла. В этом берегу заложили 12 зарядов общим весом в 50 тонн. Взрыв перекрыл русло потока; вода из реки перестала в него поступать. Угроза наводнения была предотвращена.

Вблизи г. Намангана, в Средней Азии, река Кассансай часть своего пути течет по глубокому ущелью. Стоило только запрудить реку — и более подходящее место для водохранилища трудно найти. Но как это сделать быстро и дешево? Обратились к взрывникам. В узком месте ущелья было заложено 400 тонн взрывчатого вещества. Взрыв обрушил землю в реку на подготовленное заранее место, и она надежно преградила русло. Так было образовано водохранилище емкостью в 50 миллионов кубических метров.

Для устройства искусственных водоемов взрывчатые вещества используют и в районах освоения целинных земель. Десятки озер были созданы взрывным способом в этих местах.

Чтобы вырыть котлован одного степного озера свыше 100 метров длиной, 30 метров шириной и пятнадцать — двадцать метров глубиной, потребовалось только три дня, причем всю работу выполнил один взрывник с небольшой группой помощников. Для взрыва было израсходовано более двух вагонов взрывчатых веществ, которые были размещены в девяти камерах, образованных в донной части шурфов на глубине 6,5–7 метров. Сами камеры были сделаны не путем выкапывания земли, а последовательными взрывами небольших зарядов, что очень ускорило и удешевило работу.

Мы описали только одну из многих областей применения взрывчатых веществ в народном хозяйстве нашей страны — для откола, дробления и выброса породы. Но этим далеко не ограничивается их применение.

Взрывчатые вещества широко используются в дорожном и ирригационном строительстве. С их помощью, например, прокладывают дороги через болота, где жидкий грунт не выдерживает тяжести черпательных машин. Кроме того, выемка в таких местах быстро заплывала бы жидкой болотистой массой.

Работу начинают с разрыхления взрывами верхнего растительного покрова болота. Затем на разрыхленную трассу дороги укладывают плотный грунт, образующий насыпь. Под собственной тяжестью насыпь медленно опускается в болотистую почву, но не доходит до дна. При определенной глубине погружения под насыпью взрывают небольшие заряды взрывчатого вещества. Взрыв вытесняет болотистую массу из-под насыпи, и она опускается на плотное дно болота. После этого насыпь увеличивают и производят дополнительное взрывание зарядов по бокам ее (рис. 27). Этим болотистая масса вторично вытесняется по обе стороны полотна, и его основание принимает более широкую, устойчивую форму.

Рис. 27. Прокладка взрывным способом дороги через болото.

В торфяной промышленности применение взрывчатых веществ дает возможность значительно увеличивать добычу этого топлива.

Оттаивание торфяного массива начинается обычно в начале апреля, но протекает очень медленно. Даже в Московской области оно затягивается до середины июня. Мерзлота резко снижает производительность размывания торфа гидромониторами,^[7] и самый лучший для добычи торфа весенний период не используется в полной мере.

С помощью взрывчатых веществ дробят смерзшийся торф на куски. Такие куски оттаивают за 2–3 дня вместо 2–2¹/₂ месяцев.

В нефтяной промышленности взрывчатыми веществами производят так называемое торпедирование нефтяных скважин, переставших давать нефть. После подрыва заряда взрывчатого вещества на дне скважины она вновь начинает давать нефть. Таким путем возвращен в строй не один десяток, казалось, уже выработанных нефтяных скважин.

В последнее время взрывчатые вещества стали применять для открытия новых месторождений нефти и других полезных ископаемых.

Как это производится?

Заряд помещается на небольшой глубине в земле. Его взрыв вызывает в ней распространение волн наподобие тех, которые возникают при землетрясениях. Встречая на своем пути слои различных пород или жидкостей, волны отражаются от каждого из них по-разному. Отраженные волны, возвращающиеся на поверхность земли, записываются чувствительными приборами. По характеру этих записей и можно судить о том, есть ли в районе взрыва месторождения полезных ископаемых.

В металлургической промышленности к взрывчатым веществам прибегают в тех случаях, когда в доменных печах образуются «козлы» — глыбы застывшего металла, что бывает при нарушении нормальной работы печи. В еще горячем металле бурят углубления; в них помещают и взрывают один за другим маленькие заряды взрывчатого вещества. Заряды берут такой величины, чтобы их взрывы были достаточно сильны для откола кусков металла, но не повреждали печи.

Разрушение каменных строений, которые требуется иногда сносить при реконструкции городов, быстро и безопасно производится также взрывным способом. Опыт таких работ показывает, что при правильном расчете и размещении зарядов никаких повреждений соседних зданий и разлета осколков не бывает. Звук взрыва, который производится обычно ночью (чтобы не мешать днем большому уличному движению), бывает глухим и нерезким; часто жители близлежащих домов, просыпаясь утром, с удивлением обнаруживают, что одного из зданий по соседству нет.

Недавно взрывчатые вещества получили новое применение в промышленности — для клепки взрывным способом. Особое значение этот способ имеет в авиационной промышленности. При постройке современного тяжелого бомбардировщика приходится устанавливать около миллиона заклепок. Легко себе представить, сколько труда затрачивается на это при обычном способе клепки! При взрывном способе в цилиндрическом конце заклепки устраивается небольшой канал, в котором помещается маленький заряд специального взрывчатого вещества. После того как заклепка вставлена на место в склепываемых листах, к головке ее прикладывают нагретый металлический стержень. Стержень разогревает заклепку, и происходит взрыв заряда. Цилиндрический конец заклепки расширяется, и заклепка оказывается прочно закрепленной (рис. 28).

Рис. 28. Клепка взрывным способом.

Взрывной способ применяется и в сельском хозяйстве.

Известно, какую тяжелую и трудоемкую работу представляет корчевка пней, когда она производится вручную. При взрывной корчевке в почве у пня бурят углубление так, чтобы конец его оказался под пнем (рис. 29). В это углубление вводят заряд взрывчатого вещества и свободную часть углубления плотно засыпают землей. Взрыв не только вырывает пень из земли, но и в той или иной степени расщепляет его, облегчая последующее использование пня. Корчевка пней обычно производится не только для расчистки площадей лесосек, но и для использования получаемой древесины как топлива или как сырья для лесохимической промышленности.

Рис. 29. Корчевка пней взрывным способом.

При очистке дна Цимлянского моря нужно было выкорчевать громадное количество пней; некоторые из них были толщиной до 3 метров. Вырвать такие огромные пни из земли не могли самые мощные тракторы. Для корчевки были применены взрывчатые вещества, и сто пятьдесят тысяч пней за короткое время было удалено со дна будущего моря.

В горных районах при помощи взрывчатых веществ производят подготовку почвы под сады и виноградники. Взрывным способом быстро вырывают ямки для посадки деревьев; при этом рост деревьев, посаженных взрывным способом, идет быстрее, так как взрыв разрыхляет почву и, кроме того, некоторые продукты взрыва могут оказывать полезное влияние на рост дерева, действуя как удобрение.

Взрывным способом быстро роют канавы для орошения полей и осушки болот. Осушку болот можно производить также путем пробивания взрывом водонепроницаемого слоя, задерживающего сток грунтовых вод.

Интересно применение взрывчатых веществ в борьбе с лесными пожарами. Быстрая прокладка широкой просеки лучше всего преграждает путь огню.

При сплаве леса взрывным способом ускоряют задержавшийся в верховьях реки ледоход. Теперь даже не верится, что раньше в таких случаях лед пилили пилами.

С помощью взрывчатых веществ расчищают ледяные заторы и заторы леса при сплаве, а также очищают русла рек от камней, мешающих сплаву.

Взрывчатые вещества оказывают советским людям значительную помощь в освоении Арктики. Они используются там для преодоления ледяных полей, преграждающих путь судну, для дробления больших льдин при сжатии затертого во льдах корабля; подушка из мелкого льда вокруг корпуса корабля, образованная взрывами, смягчает напор льдов, делая его более равномерным и поэтому менее опасным для судна.

Так широко могут быть использованы и используются в народном хозяйстве взрывчатые вещества.