Применение взрывчатых веществ в народном хозяйстве

Взрывчатые вещества применяются в различных отраслях народного хозяйства [18, 19]. Их широко используют в горнорудной промышленности при вскрытии угольных пластов, месторождений полезных ископаемых, в строительстве при сооружении плотин и насыпей, прокладке авто- и железнодорожных магистралей, водных каналов, спрямлении русел рек, прокладке нефте- и газопроводов, в машиностроении и металлургии – штамповке и сварке и резании металлов, при тушении пожаров и других нужд. Рассмотрим некоторые области применения ВВ.

Добыча полезных ископаемых. Горнодобывающая промышленность длительный период была практически единственным объектом мирного использования ВВ. На добычу полезных ископаемых расходуется до 80–90 % ВВ. В настоящее время горные разработки без применения ВВ практически невозможны. Ежегодно взрывным способом отделяется от массива и дробится около 2 млрд кубометров горных по-род.

Техника взрывных работ заключается в следующем. В руде или угле пробуривают шпуры, которые представляют собой горизонтальные, вертикальные, наклонные скважины длиной до 5 метров. Шпуры заряжают ВВ, закладывая или заливая его внутрь шпура, заряд забивают глиняными пробками, вставляют детонирующие устройства и производят взрыв.

Поскольку условия взрыва могут быть разнообразны (например, прочность залежей сильно колеблется, некоторые пласты насыщены водой, шахты опасны по пыли или газу и т.д.), используют несколько типов ПВВ. В последнее время наравне со штатными ПВВ используют пороховые заряды.

Применение взрывчатых веществ в сейсмической разведке. Сейсмическая разведка также является крупным потребителем ВВ.
С помощью сейсморазведки ведутся работы по поиску нефти, газа, угля, различных металлических руд, ведется поиск благоприятных точек для бурения, составляется прогноз землетрясений и т.д.

Сейсморазведка основана на различии в упругих свойствах многочисленных горных пород, которое приводит к тому, что скорость распространения сейсмических волн различна. Чем выше упругость, тем выше скорость распространения сейсмических волн, например, в граните она составляет около 6 км/с, а в песке 1,5 км/с. Эти скорости фиксируются сейсмографами, дающими информацию, позволяющую получить четкую картину расположения пластов, их мощности и состава, глубины залегания.

Техника сейсмической разведки заключается в следующем.
В скважину небольшой глубины опускают заряд ВВ и взрывают. Для заряжания обычно используют водоустойчивые ВВ. После того, как приборы зарегистрируют упругие волны, распространяющиеся в горных породах, операцию повторяют на расстоянии нескольких километров или сот метров от места первого взрыва.

Физическая природа сейсморазведки заключается в следующем. Если на поверхности земли или на некоторой глубине взорвать заряд ВВ, то от места взрыва во все стороны по горным породам побегут упругие, или сейсмические, волны, подобные звуковым. Различают продольные и поперечные упругие волны. Скорость продольных волн более чем в 2 раза выше скорости поперечных. Продольные волны могут распространяться в твердой, жидкой и газообразной средах, а поперечные – только в твердой среде.

Скорость упругих волн зависит от состава пород и в первую очередь от их упругости и плотности. Например, скорость распространения продольной волны в воздухе, воде и граните изменяется в пределах 310–360, 1430–1500 и 4000–5700 м/с соответственно.

Встречая на своем пути поверхности, разделяющие породы разного состава, упругие волны отражаются от них, преломляются и частично возвращаются на поверхность земли. Приборами улавливают колебания почвы, и, определяя время прихода волн, можно установить скорость распространения волн в отдельных слоях породы, а также глубину и форму залегания тех слоев, на границе которых происходят отражение и преломление волн.

Для возбуждения сейсмических волн используют заряды, размещенные в скважинах, реже – на поверхности земли. Для производства взрывов используют тротил в шашках или в порошке, некоторые водоустойчивые ВВ, реже динамит и аммониты.

В последнее время для сейсморазведки используют детонирующие пороховые заряды (ДЗС) на основе порохов баллиститного типа. Для изготовления ДЗС обычно используются пороховые шашки от зарядов, снятых с вооружения.

Использование взрывчатых веществ в строительстве. Взрывчатые вещества широко применяются в различных отраслях строительства: жилищной, мелиоративной, транспортной, гидротехнической.

Широкое применение ПВВ в строительстве стало возможным, благодаря работам в области теории «направленного взрыва». Процесс взрыва рассчитывался так, чтобы он обеспечивал перемещение большой массы грунта в нужном направлении и на требуемое расстояние.

Направленные взрывы в нашей стране нашли широкое применение для решения крупных народнохозяйственных задач. Так, в 1966 г. с помощью взрыва 5268 тонн взрывчатки возведена плотина в урочище Медео под Алма-Атой. Взрывом опрокинуло в ущелье сразу 1,5 млн кубометров скальных пород, образовавших плотину. В 1964 г. взрыв 9320 тонн ПВВ позволил расчистить скальный участок на трассе Аму-Бухарского канала. Взрыв образовал канал глубиной 12 метров и длиной 14 километров.

С помощью взрыва прокладываются автомобильные и железные дороги, воздвигаются насыпи, пробиваются туннели, роются ямы, траншеи, котлованы, канавы, возводятся плотины и многое другое.

Уплотнение просадочных грунтов. Часто приходится вести строительство зданий на неустойчивых и слабых грунтах (торфяники, водонасыпные пески и т.д.) Для обеспечения устойчивости зданий необходимо предварительно уплотнить эти грунты. Был разработан способ уплотнения просадочных грунтов, основанный на взрыве заряда ВВ в слое воды, покрывающей поверхность участка. В течение 20 дней грунт увлажняют, а потом взрывают заряды. Взрыв действует на глубину до 7 м, плотность грунта при этом повышается на 10–12%.

Уплотнять грунт можно поверхностными, глубинными и подводными взрывами. При поверхностных взрывах заряды располагаются на поверхности уплотняемого грунта, при глубинных – в его толще, при подводном – в воде над поверхностью грунта.

Перспективным методом оказался способ так называемой взрывной посадки насыпей из гравия, шлака, глины, песка на минеральное дно болот при строительстве железных и шоссейных дорог.

Сооружать насыпь непосредственно на поверхности болота не рекомендуется, так как полотно дороги в этом случае будет неустойчиво. Чтобы избежать этого, насыпь необходимо «посадить», т.е. опустить на минеральное дно болота.

Поскольку жидкий грунт не выдерживает тяжести землеройных машин, помочь в этом может только взрыв.

При малой мощности водонасыщенных грунтов их можно удалить из-под основания будущей трассы взрывом на выброс с помощью удлиненных горизонтальных зарядов. Затем на трассе дороги размещают грунт, образующий насыпь, которая под собственной тяжестью медленно опускается на дно болота, оттесняя жидкий грунт. При большой глубине болота насыпь до дна не доходит. В этом случае посадка ее проводится взрывом мощных зарядов ВВ впереди или с боков образуемой насыпи. После взрыва передняя часть насыпи сползает и погружается на дно, оттесняя разжиженный взрывом болотный грунт. Затем насыпь наращивают по высоте и длине, снова взрывают заряды, и цикл повторяется.

Применение взрывчатых веществ в сельском хозяйстве. В горных районах с помощью ВВ проводят подготовку почвы под сады. Взрывным способом быстро вырывают ямки для посадки деревьев, а также роют канавы для орошения полей и осушения болот. Осушение болот можно производить также путем пробивания взрывом водонепроницаемого слоя, задерживающего сток грунтовых вод.

Широко применяются ВВ для выкорчевывания пней. С этой целью в почве под пнем бурят углубление и в это углубление вводят заряд ВВ, а свободную часть углубления плотно засыпают землей. Взрыв не только вырывает пень из земли, но и расщепляет его, что облегчает его дальнейшее использование (например, в качестве топлива).

Использование взрывчатых веществ для борьбы со стихийными бедствиями. ВВ часто являются единственным средством, способным предохранить людей от ряда стихийных бедствий, таких как сели, град, снежные лавины, ледоход.

Сели – это мощные, формирующиеся в руслах горных рек, грязевые или грязекаменные потоки, которые разрушают все, что попадется им на пути. Борьба с ними проводится путем создания с помощью взрыва большого количества ВВ специальных выпускных каналов.

Снежная лавина – это пришедший в движение снег. Сила лавины очень велика и иногда достигает 128 т/м². Так как прогнозировать время схода лавин очень сложно, поэтому после обильных снегопадов лавины вызывают искусственно, производя обстрел особенно опасных склонов из минометов или орудий противоградовой защиты.

Ледоходы часто сопровождаются ледяными заторами, которые приводят к наводнению. Для предупреждения наводнений проводят ледокольные взрывные работы. Они включают в себя раскалывание и дробление льда путем взрыва заряда из водоустойчивого ВВ. Лед наиболее часто разрушают с помощью подводных зарядов, опускаемых под лед на веревках или деревянных шестах. В случае выполнения ледокольных работ с помощью наружных зарядов, располагаемых на поверхности льда, необходимо рассчитывать силу взрыва так, чтобы она не повредила близлежащие здания и сооружения. Очень мощные заторы льда уничтожают с помощью бомбардировочной авиации. Бомбометание выполняют с высоты 300–400 м фугасными авиабомбами массой 100–500 кг.

Взрывное рыхление льда часто применяют при плавании судов в тяжелых условиях арктических морей. Путем взрыва зарядов ВВ преодолеваются ледяные поля, преграждающие путь судну, дробятся большие льдины, сжимающие корпус судна и др.

Тушение пожаров на нефтяных и газовых скважинах. Впервые ВВ для тушения пожара на нефтяной скважине было применено в 1931 г. в Майкопе. Взрыв 50 кг динамита потушил пожар.

Такие пожары часто возникают на скважинах с открытым фонтанированием. Для ликвидации пожара применяют взрыв ВВ. Его производят в непосредственной близости от негорящей части струи фонтана между устьем скважины и пламенем.

Негорящая часть фонтана образуется при направлении на нижнюю часть факела мощных водяных струй. Воздушная волна, возникающая при взрыве, разрывает струю фонтана, на мгновение прекращает поступление газа и нефти из скважины, а пламя отбрасывает вверх. Таким образом, огонь взрыва тушит огонь пожара на нефтяной скважине. Заряды ВВ подают к горящему фонтану по стальному тросу, перекинутому через блоки на специальных мачтах, или на тележке с укосиной, идущей по рельсовым путям, проложенным к устью скважины.

Для зарядов обычно применяют аммонит с добавлением небольшого количества тротила. Масса зарядов составляет от 50 до 500 кг.

Тушение лесных пожаров. Применяются ВВ и для тушения лесных пожаров. Пламя в лесу распространяется с очень большой скоростью, и остановить его можно только одним способом – быстро отсечь горящий участок от основного массива широкими просеками и защитными каналами. Для этого маленькие тротиловые шашки привязывают к мощным стволам, и взрывник одним подрывом сваливает сотни деревьев, быстро прокладывая широкие просеки, которые преграждают путь огню. С помощью взрыва заряда ВВ делаются защитные рвы, предохраняя тем самым от гибели множество лесов и целые деревни.

Получение сверхтвердых материалов. В последнее время мощные ВВ стали использовать для получения ряда сверхтвердых материалов: алмаза, нитрида бора и др. С их помощью при взрыве можно обеспечить очень высокие давления и температуры, недостижимые никакими другими способами, при которых происходит образование сверхтвердых материалов. Синтезируемые по этим методам твердые и сверхтвердые материалы (корунд, алмаз, вюртцитоподобный нитрид бора) имеют размер частиц 10 мкм. Могут быть использованы для создания полимеркомпозитов, новых типов режущего, абразивно-шлифо-вального и бурового инструментов для машиностроительного комплекса, нефтяной и горнодобывающей промышленности, создания материалов для электроники и электротехники. Применение сверхтвердых материалов в инструментах позволяет повысить качество и увеличить производительность при обработке материалов в 1,5–2 раза.

В настоящее время отчетливо выделилось два основных направления синтеза и модифицирования материалов с использованием энергии взрыва.

Один из них – это использование ударных волн, возникающих в окружающей среде при детонации мощных ВВ, т.е. воздействие энергией взрыва на реакционную смесь или модифицируемый материал через какую-либо преграду. Этот вариант называется ударно-волновым.

Другой путь – использование энергии взрыва при непосредственном контакте детонирующего ВВ с реакционной смесью или модифицируемым материалом – называется детонационным синтезом.

В промышленных установках взрывной синтез сверхтвердых материалов – искусственных алмазов, нитридов бора и т.д. – производят путем прессования порошков в ампулах при давлениях свыше 20 ГПа с применением гексогена большой единичной мощности.

Получение алмазов. Известно, что графит и алмаз состоят из одного и того же вещества – углерода, но имеют различную кристаллическую модификацию: у графита – гексагональная кристаллическая решетка, а у алмаза – кубическая.

Для получения искусственного алмаза из графита нужно высокое давление, которое можно создать взрывом ВВ (или баллиститного или смесевого ракетного твердого топлива).

Эксперименты по превращению графита в алмаз под действием взрыва проводились в специальных ампулах. Внутри ампулы запрессовывали графит, а снаружи располагали заряд ВВ. Все это помещалось в сверхпрочную металлическую оболочку. Давление, возникающее в ампулах при взрыве ВВ, достигало 40 ГПа.

Алмаз можно получить несколькими методами: взрывным, ударно-волновым, детонационным. Ударно-волновой алмаз получают удар-ным сжатием смесей графита с металлом. Метод применяется в США. Детонационный алмаз получают детонацией мощных ВВ в смеси с графитом, сажей или другими формами свободного углерода. Ультрадисперсный алмаз получают детонацией зарядов мощных ВВ.

Схема производства состоит из фаз подготовки компонентов, сме-шения гексогена с сажей и прессования из них таблеток. Таблетки помещаются в стакан, вводимый во взрывную камеру (камера синтеза), где производится их подрыв с помощью специального детонатора. После подрыва продукты синтеза заливаются водой, которая затем отфильтровывается, а из полученного осадка извлекаются алмазы. Извлечение и очистка алмазов проводятся каталитическим способом пу-тем окисления графита кислородом воздуха в присутствии солей меди. Затем состав с алмазами обрабатывают азотной кислотой, щелочью и сушат.

Институтом гидродинамики СО РАН совместно с ФГУП «ФНПЦ «Алтай» была разработана технология получения ультрадисперсного алмаза и налажено промышленное производство этого продукта. Преимуществом технологии ультрадисперсного алмаза является относительная простота его выделения из продукта синтеза, что значительно удешевляет производство. Исключительно малый размер частиц алмаза позволяет использовать его в нетрадиционных областях. В настоящее время определена возможность применения ультрадисперсного алмаза в составе износостойких покрытий, наносимых гальваническим методом, и в качестве добавок к маслам для ускорения приработки двигателей. ФГУП «ФНПЦ «Алтай» выпускает следующие виды товарной продукции из ультрадисперсных алмазов: сухой порошок (УДА-С), водную суспензию (УДП-В) и пасту (УДА-П).

Получение нитрида бора. Нитрид бора так же, как и алмаз, обладает очень высокой твердостью. Но этим свойством обладает только одна из модификаций нитрида бора, имеющая поликристаллы кубической формы, - бета-модификация. Получают ее с помощью взрываиз обычного нитрида бора. Поликристаллы нитрида бора выдерживают температуру до 1500 °С, ими можно обрабатывать буквально раскаленные заготовки из стали. Но самое главное достоинство но­вого материала в том, что он выдерживает ударные нагрузки. Следовательно, резцами из поликристаллов твердого кубического нитрида бора можно обрабаты­вать прерывистые поверхности, фрезеровать пазы, углубления.

Плотные формы нитрида бора - это кубический сфалеритоподобный и гексагональный вюртцитоподобный нитриды бора, названные так по структурной ана­логии с минералами цинка – сфалеритом и вюртцитом. Плотные формы нитрида бора, как и алмаз, имеют плотность в 1,5 раза больше,чем обычный графитоподобный нитрид бора.

Вюртцитоподобный нитрид бора получают ударным сжатием графитоподобного нитрида бора в смеси с охлаждающей добавкой − водой. Он представляет собой порошок с размерами частиц 0,01–10мкм, устойчивый к действию кислот и щелочей. Вюртцитоподобный нитрид бора является первым материалом, промышленное производство которого с использованием энергии взрыва освоено в нашей стране. Может использоваться непосредственно в виде абразивных порошков или паст в процессах шлифования и полирования, однако подавляющая его часть расходуется на изготовление поликристаллов твердого нитрида бора, используемых в лезвийном режущем инструменте и абразивных кругах.

Кубический нитрид бора, полученный детонационным способом, на­ряду с вюртцитоподобной формой с успехом может быть использован для изготовления поликристаллов твердого нитрида бора.

Возможность получения вюртцитоподобного нитрида бора ударным сжатием графитоподобной формы была обнаружена в результате совместных исследований, проводимых специалистами ИХФ РАН и Института новых химических проблем РАН (пос. Черноголовка) в 1965 г. Ими же были разработаны способы получения и очистки этой плотной формы, составившие впоследствии основу первой промыш­ленной технологии получения материала с использованием энергии взрыва. Ма­териал имеет торговое название чернобор. Учеными ИФВД РАН и ЦНИИ Миноборонпрома было показано, что на основе чернобора или его смесей с кубическим нитридом бора можно получать поликристаллы твердого нитрида бора (ПТНБ), в которых чернобор полностью превращается в кристаллический нитрид бора (КНБ), образуя особопрочные по­ликристаллы, способные в лезвийном инструменте выдержать ударные нагрузки.

НПО «Кристалл» совместно с ИПМ АН Украины и ИХФ РАН организовал промышленное производство вюртцитоподобного нитрида бора.

Штамповка и сварка взрывом. Принцип штамповки следующий. Заготовку (например, стальной лист) помещают в матрицу, закрепляют ее, располагают над ней заряд ВВ, опускают все это в воду и взрывают. От удара взрыва лист принимает форму матрицы. Таким способом можно готовить днища аппаратов сложной конфигурации, оболочки из сотовых моделей и многое другое. Стоимость взрывной штамповки в 50 раз ниже стоимости пресса.

Процесс штамповки взрывом осуществляется в основном с помощью порошкообразных ПВВ. Наибольшее применение нашел водоустойчивый аммонит 6ЖВ и акванит-2.

Сварка взрывом получила большое распространение как у нас в стране, так и за рубежом. Основное ее достоинство заключается в том, что она позволяет получить прочные металлы, которые не удается сварить иным способом (например, сталь с медью, сталь с титаном, нержавеющую сталь с алюминием, сталь со свинцом и т.д.) и обеспечивает высокую прочность швов.

Сваркой взрывом можно наносить покрытия на листы стали, например, тонкого слоя титана, нержавеющей стали, т.е. получать биметаллические изделия, обеспечивая экономию дорогих легированных сплавов.

Сварка взрывом осуществляется следующим образом. На поверхности метаемой пластины размещается заряд из пластичного ВВ или баллиститного пороха. Детонатор устанавливается на краю заряда, а метаемая пластина фиксируется в воздухе или вакууме на определенном расстоянии от основной пластины, с которой происходит сварка. Конечная скорость распространения детонации приводит к тому, что метаемая пластина под определенным углом соударяется с неподвижной. Весь процесс соединения продолжается в течение десятка микросекунд.