Производство и применение в промышленных условиях невзрывных разрушающих смесей

Нефина ЛТД («Тер-Мит», Финляндия-Нидер-ланды) и расширяющегося цемента «Минерал Кеми АГ» (Швейцария). Однако композиции представленных фирм имеют достаточно высокую стоимость [2, 3].

Основополагающей задачей для горнодобывающей и строительной отраслей является сокращение затрат на буровзрывные работы и повышение безопасности труда при использовании невзрывных расширяющихся смесей (НРС).

Известны два типа НРС, отличающихся по химической природе расширяющей основы смеси: сульфатные на основе сульфоалюминатов кальция и известковые. Последние отличаются кратким сроком проявления расширения, весьма доступной и дешевой сырьевой базой в виде известняковых отсевов от производства строительной и металлургической извести и потому заслуживают предпочтения.

НРС выпускается в виде порошков серого цвета тонкого помола, образующий при гидратации твёрдые соединения гидроксида кальция, объем которого, как минимум, вдвое превышает объем исходной твердой фазы оксида кальция (рисунок 1) .

Рисунок 1. Невзрывная расширяющаяся смесь

Figure 1. Non-explosive expanding mix

Оксид кальция, или известь, отличается уникальным по величине энергетическим потенциалом гидратации – около 1170 кДж на кг. Кроме того, этот процесс сопровождается самодиспергацией кусков извести в порошок, что исключает возможность получения на основе обычной извести достаточно прочных продуктов реакции, способных совершать работу по разрушению, т. к. образующаяся дисперсия, известная у строителей как известь-пушонка, при достижении определённого давления в скважине «фонтанирует» наружу.

Принципиальное отличие гидратации НРС от гашения строительной извести в «пушонку» состоит в многократном замедлении гидратации СаО, что достигается повышенной температурой обжига и введением в обжигаемый известняк стабилизирующих присадок, например, щелочей. При этом оксид кальция образует кристаллы размером до 1000 мкм, неспособные к быстрой гидратации, что обеспечивает постепенное уплотнение ее продуктов внутри скважины и, конечном счете, реализацию разрушающего потенциала известкового НРС.

Выше упомянутые, зарубежные, в том числе и отечественные производители НРС для его получения используют вращающиеся печи, уровень температуры обжига в которых лимитируется возможностями огнеупорной футеровки барабана печи – не выше 1400 °С. В отличие от них на кафедре ТВМиСИИММт для получения НРС использован агломерационный обжиг 1 с уровнем температур свыше 1600 С, что гарантирует высокий уровень термической стабилизации извести (рисунок 2) . С повышением температуры и увеличением длительного обжига объем пор в извести снижается, а плотность увеличивается, что связано с увеличением размеров кристаллов оксида кальция и их срастанием между собой в крупные агрегаты [4], что даёт высокое квази-статическое давление (рисунок 3) .

Рисунок 2. Технологическая схема получения агломерационного НРС на аглочашах

Figure2. The flowchart of the sintering LDCs on alocasia топливо, посредством просасывания сквозь зернистый слой воздуха согласно гравитации. т.е. сверху вниз.

Рисунок 3. Агломерационный НРС после высокотермической обработки

Figure 3. Aagglomeration LDCs after high-temperature processing

Также нами произведена классификация агломерационного НРС по квазистатическому давлению на стенки шпура по сортам: до 50 МПа –I сорт, до 100 МПа –IIсорт, до 150 МПа –I сорт и выше 150 МПа –E сорт. Применение того или иного сорта зависит от шкалы коэффициента крепости горной породы (шкала Протодьяконова): III сорт – для категории IV (довольно крепкие), II сорт – для категории III (крепкие), I сорт – для категории II (очень крепкие) и E сорт – для категории I (в высшей степени крепкие). Все наши выводы были подтверждены опытно-промышленными работами на действующих карьерах и шахтах.

Коллективом авторов разработан продукт – невзрывчатые расширяющиеся смеси «Kraken» (далее НРС «Kraken»), которые позволяют без особых усилий и дополнительных лицензий и допусков (без шума и вредных отходящих газов при выполнении работ), и соответственно, без дополнительных капитальных вложений провести ряд трудоёмких работ по разрушению необходимого объекта.

До проявления эффекта разрушения, как правило, достаточно не более 24 часов. Преимуществом НРС по сравнению с другими средствами является отсутствие разлёта осколков, вибраций и шума, а также, микротрещин при расчленении бетонных конструкций и откалывании каменных блоков горных пород. Гарантийный срок хранения не менее года при сохранении герметичности упаковки и хранении в сухом помещении, так как материал очень гигроскопичен.

НРС «Kraken» применяется в таких областях как:

• •    Горнодобывающая промышленность для разделки негабарита и отделения каменных блоков от массива породы для получения штучного камня (рисунок 4) ;

Рисунок 4. Блочный камень отделённый от массива с применением НРС

Figure 4. A block of stone separated from the array with the use of LDCs

• •    Горно-шахтная промышленность для бережного извлечения драгоценных и полудрагоценных минералов из породы без проведения взрывных работ (рисунок 5) ;

Рисунок 5. Бурение массива горных пород на добыче драгоценных минералов и изумрудная щетка

Figure 5. Drilling of rock mass on extraction of precious minerals and emerald brush

• •    В строительстве для разрушения каменных материалов, при демонтаже фундаментных плит и блоков, сооружений гражданского и промышленного назначения (рисунок 6) ;

Рисунок 6. Разрушенный фундамент

Figure 6. Destroyed basement

«Kraken» обеспечивает технически и экономически выгодные решения в:

• •    в стеснённых условиях, где находящиеся поблизости сооружения должны быть защищены от ударной волны, генерируемой взрывами и разлёта осколков;

• •    предварительном разрушении горных пород, создании изолированных блоков, которые затем легче разобрать и транспортировать;

• •    получении блоков из мрамора и гранита, чем традиционный метод резки канатными пилами;

• •    при дроблении горных пород или цементно-бетонных сооружений, где использование взрывчатых веществ не допустимо [7].

НРС «Kraken» обладает следующими свойствами в зависимости от разрушаемого объекта:

• •    щелочность11,5–13 рН

• •    объемная насыпная плотность1,3–1,6 т/м³

• •    водопотребность26 ÷40%

• •    время видимого эффекта разрушения 2,0 ÷72 часа

• •    развиваемое давление расширения – 25 ÷260 МПа

• •    срок хранения – не более 2-x лет

Также, невзрывчатые расширяющиеся смеси «Kraken» тонкого помола предназначаются для получения безусадочных, расширяющихся, напрягающих цементов, расширяющегося тампонажного материала (РТМ). В виде добавки характеризуется линейным расширением цементного камня тампонажных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин с температурой до 50 °С. Количество вводимой добавки зависит от линейного расширения цементного камня, минералогического состава цемента, качества используемой воды и т. д. и определяется для каждого конкретного случая лабораторным путём [8].

Сначала проводится подготовка объекта разрушения, и, исходя из ряда характеристик объекта, осуществляется разметка схемы бурения шпуров, далее, на заданную глубину, но не менее 70% высоты или толщины разрушаемого объекта, бурятся шпуры по рассчитанной разметке ручным перфоратором, либо, при больших объёмах, машиной строчного бурения (рисунок 7) .

Рисунок 7. Бурение шпуров в негабаритном куске горной породы

• Figure7.    Drilling holes in an oversized piece of rock

Рекомендуемый диаметр шпуров 32–50 мм. При большем диаметре идёт перерасход НРС «Kraken». Шпуры перед заливкой смеси должны быть чистыми.

Существует два способа применения:

• 1.    Рабочую смесь образуют в любой удобной ёмкости путём смешивания «Kraken» с водой в определённой пропорции, которой заполняют полость – шпура, в каком-либо объекте (рисунок 8) .

Рисунок 8. Готовая суспензия для заряжания шпуров

• Figure8.    Suspension prepared for the loading of bore-holes

• 2.    Патронированный НРС «Kraken», который представляет собой жесткие патроны цилиндрической формы по диаметру шпура. Патрон имеет способность впитывать воду, что обеспечивает гидратацию материала и дальнейшую его работу по разрушению объекта. Патроны НРС позволяют выполнить раскол монолитных объектов в любой плоскости за счет возможности их размещения в вертикальных, горизонтальных, наклонных и даже восстающих шпурах. Они высокотехнологичны в применении. Не требуется производить трудоемкие операции взвешивания и размешивания для приготовления рабочей смеси НРС, исключаются любые ее потери и перерасход, что обеспечивает экономическую эффективность использования патронов. Отсутствие пыления порошкообразного НРС и попадания рабочей смеси в окружающую среду определяют экологическую чистоту и безопасность применения, патронированного НРС [5].

В данном случае патроны погружаются в воду в течение минуты, а после загоняются в шпур с помощью досылателя (рисунок 9) .

В результате гидратации порошка, смесь начинает твердеть, набирать прочность, увеличиваясь при этом в объёме. Данная реакция сопровождается развитием давления на стенки шпура до 187,5 МПа что подтверждено актом промышленных испытаний, при этом, в объекте развиваются напряжения, превышающие предельную прочность объекта на растяжение, что приводит к разрушению в виде образования сначала микротрещин и дальнейшего их развития вплоть до раскалывания объекта на отдельные части в течение 24–72 часов (рисунок 10), в зависимости от температуры окружающей среды и структуры материала объекта [6].

Рисунок 9. Патронированный НРС

Figure 9. Patronized LDCs

Рисунок 10. Разрушенный негабаритный кусок горной породы

Figure 10. Destroyed oversized piece of rock

Что касается сравнения с аналогами, то на российском рынке существует несколько подобных продуктов, таких как «Максидинамит цемент», «Тихий взрыв», «НРС-1», так же на международном рынке «Bristar», «Ecobust» и несколько других производителей таблица 1, то продукция «Kraken» при конкурентной цене обеспечивает имея большее давление на стенки шпура, наш НРС не имеет способности вылетать из шпура при повышенных температурах, и что очень важно удобство использования – НРС в патронах позволяет удобнее и быстрей работать с материалом, что несёт прямые экономические выгоды (таблица 1).

лучшие технические характеристики на разрыв,

Таблица 1.

Сравнение с зарубежными аналогами

Comparison with foreign analogues

Table1.

Производитель Manufacturer	Kraken	Bristar	Ecobust	Betonamit
Расширяющее усилие, МПа Expansion force, MPa	187,5	140	138	150
Время для развития максимального усилия, ч Time for the development of maximum effort, h	48	48	48	96
Страна-производитель Manufacturer country	Россия Russia	Италия Italy	Канада Canada	Германия Germany

Область применения составов очень обширна это строительные работы в стеснённых условиях (т. е. вблизи зданий и сооружений, транспортных магистралей, промышленных коммуникаций, населённых пунктов, в действующих цехах, и т. д.), добыча штучного камня, дробление массива (подбурки, негабарит и др.), бережное извлечение кристаллосырья, работы по демонтажу строительных конструкций и др.