Снижение выхода валунов при взрывных работах на уступах: почему увеличение количества взрывчатых веществ — не решение проблемы.
Если вы хоть какое-то время работали на взрывных работах, то знаете это чувство. Вы подходите к куче породы после взрыва, и вот они — полдюжины валунов размером с малолитражку, лежащие прямо там, где раньше был первый ряд. Оператор экскаватора смотрит на вас таким взглядом. Руководитель проекта начинает в уме подсчитывать затраты на вторичную обработку. И кто-то, неизбежно, говорит то, чего вы не хотите слышать: «Может быть, в следующий раз добавим больше порошка?»
Вот что я усвоил на собственном горьком опыте, потратив столько мазута, что хватило бы на финансирование небольшого карьера: проблемы с валунами почти никогда не связаны с недостатком взрывчатого вещества. Они возникают из-за того, что энергия попадает не туда, куда нужно. Устраните утечки, и проблема с фрагментацией решится сама собой.
Шаг первый: Осмотрите горную породу, прежде чем трогать какой-либо параметр.
Прежде чем менять расстояние между отверстиями, прежде чем корректировать пороховой коэффициент, прежде чем что-либо делать с цифрами, обойдите верстак. Внимательно посмотрите на него.
В первом ряду отверстий и верхней части террасы образуются валуны, и этому есть причина. Первый ряд врезается в породу, уже поврежденную — предыдущим взрывом, многомесячным выветриванием, релаксацией свободной поверхности. Верхняя терраса? То же самое сверху вниз. Эти зоны испещрены открытыми трещинами и микротрещинами, которые не видны с расстояния двадцати метров, но которые непременно отнимут у вас энергию для взрывного удара.
Когда детонационная волна достигает открытой трещины, она не пересекает её плавно. Волна напряжения отражается, рассеивается и теряет давление. Образовавшийся газ — то самое вещество, которое фактически разрушает большую часть породы при правильно спланированном взрыве — выходит прямо в трещину, вместо того чтобы создавать давление на стенку скважины. В результате: взрывное устройство сработало, земля затряслась, и порода между трещинами так и не испытала достаточного устойчивого давления для разрушения.
То же самое происходит на геологических границах. Наткнитесь на глинистую жилу, зону сдвига или выветренную дайку, и волна напряжения резко остановится. Порода по другую сторону этой границы выталкивается целиком и падает в кучу в виде валуна, который ваша бригада, занимающаяся второстепенными работами по разрушению породы, будет проклинать следующие три дня.
Итак, первый шаг не в том, чтобы что-то корректировать. Это обход верстака и обозначение проблемных зон на эскизе, нарисованном аэрозольной краской: трещины в первом ряду здесь, глинистая жила там, выветренная верхняя порода сверху. Если вы не знаете, где происходит утечка энергии, вы не сможете заделать отверстия.
Шаг второй: Два параметра, которые действительно влияют на результат.
Зная, в каких зонах вам будет сложнее противостоять, вы сможете корректировать свои действия разумно, а не вслепую.
Первый параметр, заслуживающий внимания, — это расположение отверстий. Удивительно большое количество карьеров до сих пор используют так называемую традиционную схему расположения: небольшое расстояние между отверстиями и относительно большой засыпной слой. Считается, что близко расположенные отверстия обеспечивают лучшую фрагментацию. В действительности же все наоборот: небольшое расстояние между отверстиями и большой засыпной слой оставляют энергетические зазоры у основания уступа, и эти зазоры приводят к образованию именно тех валунов и остатков у основания уступа, которые все ненавидят.
Переверните схему. Большое расстояние между скважинами, малая нагрузка. Увеличьте расстояние между скважинами, но приблизьте ряд к свободной поверхности. Вы получаете сразу две выгоды: уменьшенная нагрузка означает, что передний ряд действительно чисто обрушивается до основания, а не оставляет за собой выступ, а большее расстояние — при условии, что оно рассчитано таким образом, чтобы обеспечить полное перекрытие энергии между соседними скважинами — покрывает массив породы без нерационального перекрытия, характерного для плотной схемы. Фрагментация получается более равномерной, и вы бурите меньше скважин на кубический метр. Это экономия средств с обеих сторон.
Второй параметр — это коэффициент взрывчатости, и главное — перестать рассматривать его как единое число для всего взрыва. Трещиноватый передний ряд получает прирост — на 10–20% больше взрывчатого вещества на кубический метр, чем в базовом варианте. Вы не увеличиваете мощность ради мощности; вы компенсируете утечку энергии через уже существующие трещины. Целая порода за передним рядом остается на базовом уровне. А вблизи финальной откосной стены вы фактически уменьшаете коэффициент взрывчатости — устойчивость склона — это вопрос безопасности, а не показатель производительности, и чрезмерные взрывные работы по периметру приводят к клиновидным обрушениям, которые проявляются через шесть месяцев.
Вносите корректировки небольшими шагами и тестируйте. Добавьте 10% к проблемной зоне, пробурите, проверьте кучу породы. Валуны всё ещё сплошные? Увеличьте на 15%. Не переходите сразу на 25% из-за нетерпения. Чрезмерные взрывные работы не только приводят к потере денег, но и создают разлет обломков породы, чрезмерную вибрацию и неровную заднюю стенку, что затрудняет бурение в следующем цикле.
Шаг третий: Оставьте немного грязи в качестве буфера.
Взрывная обработка без удаления остатков породы — когда перед следующим этапом вывозится весь объем породы, образовавшейся в результате предыдущего взрыва, — является стандартной процедурой на многих участках, потому что она выглядит аккуратно. Это также один из главных факторов, обеспечивающих большое количество валунов, и вот почему.
Когда первый ряд взрывчатки выстреливает в пустоту, ничто не сопротивляется движению породы, кроме её собственной инерции. Взрывная энергия примерно делится на две части: ударную волну, которая разрушает породу на месте, и расширение газа, которое толкает разрушенную породу вперёд. Поскольку перед забоем ничего нет, фаза расширения газа тратит большую часть своей энергии на отбрасывание — ускорение породы наружу, от забоя, без сопротивления. Фрагменты летят, приземляются и остаются целыми блоками, потому что не было столкновения, не было межчастичного дробления, ничего, что превращало бы большие куски в маленькие.
Взрывное воздействие на буферную зону — оставление полосы отработанного грунта шириной от 2 до 4 метров у забоя — полностью меняет законы физики. Первый ряд взрывных работ ведется в этот барьер из грунта, а не в открытый воздух. Фрагменты породы ударяются о сохраненную кучу, сталкиваются друг с другом, и кинетическая энергия, которая была бы потрачена впустую при сбросе, преобразуется во вторичное разрушение за счет удара и дробления. В результате получаются более мелкие фрагменты, меньше разлетающихся камней и более плотная куча грунта, которую легче копать.
Для того чтобы это сработало, необходимо соблюсти несколько условий: удерживаемый грунт должен быть достаточно плотным, чтобы оказывать реальное сопротивление — рыхлый, пушистый слой не подойдет. Коэффициент рыхлости должен увеличиться на 10–20%, поскольку вы выполняете больше работы (разрушение при сопротивлении требует больше энергии, чем разрушение в свободном пространстве). А задержка между рядами должна быть немного больше, чем при обрушении чистого грунта, чтобы фрагменты каждого ряда успели удариться и раздавиться о буфер до прибытия следующего ряда.
Четвертый шаг: Не забывайте о том, что происходит на самом верху.
Зона забоя — верхняя часть скважины, заполненная инертным материалом, а не взрывчаткой, — предназначена для предотвращения разлета обломков породы, и с точки зрения безопасности она не подлежит обсуждению. Но она создает проблему: взрывной столб начинается ниже в скважине, а это значит, что самая верхняя часть уступа получает меньше прямой взрывной энергии. Угадайте, откуда возьмется следующая партия валунов.
Нельзя укоротить забой, чтобы это исправить — именно так возникают обрушения стенок и разлет обломков. Но вот один работающий полевой трюк: поместите небольшой заряд-ускоритель внутрь колонны забоя, расположив его так, чтобы приложить ровно столько энергии, сколько необходимо для разрушения зоны устьевого выступа, не повредив при этом забой. Не полный заряд — достаточно, чтобы расколоть верхнюю породу, чтобы она разломилась вместе с остальной частью обломка, а не вылетела наружу в виде цельной плиты из-за расширения газа. Я видел, как этот метод позволил уменьшить количество валунов на верхней части породы более чем вдвое на уступах, где валуны в зоне устьевого выступа были хронической проблемой.
Заодно синхронизируйте последовательность инициализации с новой схемой расположения отверстий. Большое расстояние между отверстиями при небольшой нагрузке лучше всего работает с электронными задержками, расположенными по рядам — каждый ряд получает чистый доступ к буферу, фрагменты сталкиваются, и следующий ряд прибывает до того, как масса осядет и потеряет сопротивление.
Какое отношение это имеет к разрушению горных пород кислородом?
Всё, что я только что описал, предполагает использование обычных взрывчатых веществ в стандартной установке для взрывных работ. Но принципы — контролируемое высвобождение энергии, минимизация утечки через трещины, использование ограниченного расширения, а не свободного выброса — именно то, что делает эффективными системы разрушения горных пород без использования взрывчатых веществ.
Система взрывных работ с использованием кислорода работает по принципиально иному механизму: расширение за счет фазового перехода жидкого кислорода, а не химическая детонация. Но физика эффективного разрушения породы остается той же. Контролируемое расширение против сопротивления обеспечивает лучшее разрушение, чем неограниченный выброс. Существующие трещины отнимают энергию независимо от того, используете ли вы аммиачно-жидкостный шлак или жидкий кислород. А понимание характеристик породы до проектирования взрыва — это разница между чистым отвалом и скоплением валунов, независимо от того, что вы засыпаете в скважину.
Для карьеров, расположенных вблизи чувствительной инфраструктуры, где основными ограничениями являются разлет обломков породы, вибрация и необходимость получения разрешений, система O2 решает проблемы, которые буферные взрывные работы и тщательный контроль коэффициента распыления могут решить лишь частично. Отсутствие разлета обломков породы означает отсутствие компромиссов в отношении забойной работы. Контролируемое высвобождение энергии означает отсутствие выхода газа через трещины. А безопасное расстояние сокращается с сотен метров до ста — что на карьере, окруженном дорогами и зданиями, может означать разницу между работой и простоем.
