Технологии и методы проведения промышленных взрывных работ

Взрывные работы, являясь одним из наиболее мощных инструментов в руках инженеров и строителей, имеют богатую и интересную историю. Зародившись с изобретением дымного (черного) пороха в древнем Китае, технология использования контролируемой энергии взрыва прошла колоссальный путь развития. Изначально применявшийся в военных целях и примитивной горной добыче, порох заложил основу для будущих революций в инженерном деле. Ключевым моментом стал 1867 год, когда Альфред Нобель изобрел динамит — значительно более безопасное и управляемое взрывчатое вещество, чем его предшественник нитроглицерин. Это открытие дало мощнейший толчок развитию крупномасштабного строительства: прокладке тоннелей, каналов (таких как Панамский и Суэцкий), разработке карьеров и возведению фундаментов в скальных породах.

Сегодня взрывные технологии — это высокоточная наукоемкая отрасль, где на смену эмпирическим методам пришли компьютерное моделирование и электронные системы инициирования. Они находят широчайшее применение в строительстве для решения таких задач, как разработка выемок и насыпей, рыхление скальных и мёрзлых грунтов, контролируемый снос зданий и сооружений, ликвидация ледяных заторов на реках и даже сварка металлов взрывом. Современный подход к взрывным работам требует глубоких знаний в области химии, физики, геологии и строжайшего соблюдения норм безопасности, что делает эту сферу одной из самых ответственных в инженерной практике.

Рис. 1 – Контролируемый снос строений с применением взрывных технологий

1. Классификация и характеристики промышленных взрывчатых материалов

Основой любых взрывных работ являются взрывчатые материалы (ВМ). Согласно современной терминологии, закрепленной в нормативных документах, это понятие объединяет две большие группы: непосредственно взрывчатые вещества (ВВ) и средства инициирования (СИ), ранее известные как средства взрывания.

1.1. Взрывчатые вещества (ВВ): Состав и принцип действия

Взрывчатые вещества — это химические соединения (например, тринитротолуол (тротил, тол), гексоген, нитроглицерин) или механические смеси (такие как аммониты, пороха, динамиты), способные к чрезвычайно быстрой реакции химического разложения, называемой детонацией. Под воздействием внешнего импульса (удара, нагрева, искры от детонатора) ВВ разлагается со скоростью, достигающей нескольких тысяч метров в секунду (от 2000 до 8500 м/с и выше). В ходе этой реакции выделяется огромное количество тепловой энергии и образуется большой объем сильно нагретых газов.

Этот процесс порождает мощнейшую ударную волну, которая, распространяясь в окружающей среде (горной породе, грунте, бетоне), оказывает колоссальное давление, превышающее предел прочности материала, что и приводит к его разрушению — взрыву. Характер этого разрушения напрямую зависит от скорости взрывчатого превращения.

1.1.1. Классификация ВВ по характеру воздействия

• Бризантные (дробящие) ВВ. Эта группа характеризуется очень высокой скоростью детонации (2000–8500 м/с). Взрыв таких веществ создает чрезвычайно резкий и мощный удар, который дробит и сокрушает материал в непосредственной близости от заряда, практически не вызывая его разброса. Их основное применение — дробление прочных скальных пород, бетона, мерзлых грунтов. К ним относятся динамиты, аммониты, тротил (тол) и другие. Внутри этой группы выделяют особо чувствительные инициирующие ВВ (гремучая ртуть, азид свинца, тенерес), которые используются в средствах инициирования для возбуждения детонации основного, менее чувствительного заряда.
• Метательные (фугасные) ВВ. Для них характерна более низкая скорость взрывчатого разложения (процесс горения, а не детонации), составляющая от 400 до 2000 м/с. Взрыв происходит с относительно медленным нарастанием давления газов, которые не столько дробят, сколько раскалывают окружающую породу на крупные фрагменты и отбрасывают (метают) их на значительное расстояние. Классический пример — дымный порох (механическая смесь калиевой селитры, серы и древесного угля, состав которой регламентируется ГОСТ 1028-79), применяемый для образования выемок и траншей методом выброса грунта.

1.1.2. Дополнительная классификация ВВ

Для удобства выбора и применения ВВ классифицируют по ряду других признаков:

• По составу: аммиачно-селитренные (наиболее массовые и дешевые, например, аммониты), нитроглицериновые (динамиты), оксиликвиты (взрывчатые смеси жидкого кислорода с горючими поглотителями), а также составы на основе азидов и солей гремучей кислоты (преимущественно инициирующие ВВ).
• По агрегатному состоянию: порошкообразные (рассыпные), крупнодисперсные, гранулированные, прессованные (в виде шашек), литые и пластичные.
• По физико-химическим свойствам: водоустойчивость (ключевой параметр для обводненных скважин), гигроскопичность (способность впитывать влагу из воздуха) и слеживаемость (способность уплотняться при хранении, что ухудшает характеристики).

1.2. Средства инициирования (СИ)

Для безопасного и надежного возбуждения взрыва основного заряда ВВ применяются средства инициирования. Они создают первичный импульс, достаточный для начала детонации.

• Капсюль-детонатор (КД): Представляет собой металлическую или бумажную гильзу, в которой запрессован заряд инициирующего ВВ. Предназначен для огневого способа взрывания. Взрыв КД происходит от пучка искр, передаваемого по огнепроводному шнуру. Это изделие требует предельно осторожного обращения из-за высокой чувствительности к удару, трению и искре.
• Электродетонатор (ЭД): Является усовершенствованной версией КД, предназначенной для электрического способа взрывания. Он состоит из капсюля-детонатора и встроенного в него электровоспламенителя (мостик накаливания из нихромовой проволоки с нанесенным на него воспламенительным составом). При подаче электрического тока мостик раскаляется, воспламеняет состав, который, в свою очередь, инициирует взрыв КД. Выпускаются ЭД мгновенного, короткозамедленного (с задержкой в миллисекундах) и замедленного действия (с задержкой от 0,5 до 15 секунд), что позволяет организовывать сложную последовательность взрывов для лучшего дробления и снижения сейсмического эффекта.
• Детонирующий шнур (ДШ): Гибкий шнур с сердцевиной из высокобризантного ВВ (чаще всего ТЭН), заключенной в многослойную защитную оплетку. Скорость детонации по шнуру достигает 6500-7000 м/с. ДШ используется для одновременной передачи детонации от одного инициатора (КД или ЭД) к большой группе зарядов без использования детонаторов в каждом из них, а также для непосредственного инициирования чувствительных ВВ.
• Огнепроводный шнур (ОШ): Применяется для передачи огневого импульса (пучка искр) к капсюлю-детонатору с заданной временной задержкой. Состоит из пороховой сердцевины и защитных оплеток. Стандартная скорость горения ОШ составляет около 1 см/с, что позволяет взрывнику отойти на безопасное расстояние. Необходимо хранить ОШ в сухих помещениях, вдали от солнечных лучей.
• Зажигательный патрон и зажигательная свеча: Вспомогательные средства для одновременного и безопасного поджигания нескольких огнепроводных шнуров.

Рис. 2 – Подготовка к проведению взрывных работ и размещение средств инициирования

2. Способы инициирования и типы зарядов ВВ

Для осуществления взрыва ВВ формируют в заряды, а для их подрыва используют различные способы, выбор которых зависит от масштаба работ, требуемой точности и условий безопасности.

2.1. Основные способы взрывания

• Огневой способ: Исторически первый и наиболее простой метод. Используется для взрывания одиночных зарядов или небольшой группы с разновременной детонацией. Из капсюля-детонатора и отрезка огнепроводного шнура требуемой длины изготавливается зажигательная трубка. Она вставляется в специальный патрон ВВ (патрон-боевик), который затем помещается в основной заряд.
• Электрический способ: Наиболее распространенный и управляемый метод, позволяющий производить одновременный или последовательный (с точно заданным замедлением) взрыв неограниченного количества зарядов на большом расстоянии. Это достигается за счет использования электродетонаторов и построения электровзрывной сети.
• Взрывание с помощью детонирующего шнура: Безопасный и надежный способ, исключающий необходимость введения чувствительных капсюлей-детонаторов непосредственно в каждый заряд ВВ. Детонация передается по сети из ДШ от одного центрального инициатора (ЭД или КД).

По времени срабатывания отдельных зарядов различают мгновенное (все заряды взрываются одновременно), короткозамедленное (интервалы между взрывами составляют десятки миллисекунд) и замедленное (интервалы от долей секунды до нескольких секунд) взрывание.

2.2. Классификация зарядов по расположению и форме

По месту расположения заряды делятся на:

• Внутренние (глубинные): Размещаются внутри разрушаемого объекта в специально подготовленных выработках — шпурах, скважинах, рукавах, камерах. Это наиболее эффективный способ использования энергии взрыва.
• Наружные (накладные): Располагаются непосредственно на поверхности разрушаемого объекта. Отличаются высоким расходом ВВ, но незаменимы, когда бурение невозможно.

Рис. 3 — Схемы расположения глубинных зарядов ВВ (размеры в м): а) шпуровыми зарядами; б) скважинными зарядами; в) котловыми зарядами; г) малокамерными зарядами; д), е) камерными зарядами; ж) щелевыми зарядами; 1 – заряд ВВ; 2 – забойка; 3 – грудь забоя; 4 – рукав; 5 – шурф; 6 – штольня; 7 – рабочая щель; 8 – компенсационная щель

По геометрической форме заряды бывают:

• Сосредоточенные: Имеют форму, близкую к кубу, шару или короткому цилиндру (высота не более пяти диаметров). Обеспечивают максимальную концентрацию энергии в одной точке.
• Удлиненные: Цилиндрические или прямоугольные заряды, длина которых значительно (более чем в 5 раз) превышает поперечные размеры. Типичный пример — заряд в шпуре или скважине.
• Фигурные: Имеют сложную форму, спроектированную для решения специфических задач, например, для контурного взрывания или разрушения конструкций сложной геометрии.
• Кумулятивные заряды: Особый тип фигурных зарядов, предназначенный для прожигания материалов высокой прочности (броня, железобетон). Они имеют коническую или цилиндрическую выемку, покрытую металлической облицовкой. При взрыве энергия фокусируется, формируя тонкую высокоскоростную струю расплавленного металла, обладающую огромной пробивной силой.

2.3. Характер действия взрыва на породу

В зависимости от массы заряда и глубины его заложения, взрыв может оказывать различное воздействие на окружающую среду:

Рис. 4 — Виды действия взрыва на взрываемую породу: а) выброс; б) выпирающий горн; в) камуфлетный горн; 1 – разрыхленная порода; 2 – раздробленная порода, падающая обратно в воронку; 3 – отвалы породы после взрыва; 4 – очертания видимой воронки; 5 – очертания воронки в момент взрыва

• Взрыв на выброс: В грунте образуется конусообразное углубление (воронка), а порода выбрасывается на поверхность.
• Взрыв на рыхление: Происходит дробление и вспучивание породы без значительного выброса.
• Камуфлет: Взрыв производится на большой глубине, в результате чего на поверхности не наблюдается видимых разрушений, а в толще породы образуется скрытая полость.

Для количественной оценки действия взрыва используется показатель действия взрыва n, который определяется по эмпирической формуле:

n = r / W

где r — радиус образуемой воронки взрыва, а W — линия наименьшего сопротивления (ЛНС), то есть кратчайшее расстояние от центра заряда до ближайшей свободной поверхности.

• При n = 1 — заряд нормального выброса.
• При n > 1 — заряд усиленного выброса.
• При n < 1 — заряд уменьшенного выброса.
• При n ≈ 0,75 выброс грунта практически отсутствует, происходит только его рыхление.

Расчет массы заряда ВВ является сложной инженерной задачей, которая учитывает свойства взрываемого грунта, требуемый эффект и множество других параметров. Для этого используются специализированные методики и эмпирические формулы, а точность расчета всегда проверяется пробным взрыванием на объекте.

3. Практические методы ведения взрывных работ

На практике применяется несколько основных методов ведения взрывных работ, отличающихся способом размещения зарядов и масштабом применения.

3.1. Метод шпуровых зарядов

Это один из наиболее распространенных методов, суть которого заключается в размещении удлиненных зарядов в шпурах — неглубоких скважинах малого диаметра. Заряд ВВ обычно занимает нижние 2/3 длины шпура, а верхняя треть заполняется забойкой (инертным материалом, например, песчано-глинистой смесью или буровой мукой). Забойка необходима для запирания продуктов взрыва и направления всей энергии на разрушение массива.

• Мелкошпуровое взрывание (глубина шпура до 2 м): Применяется для вторичного дробления негабаритных кусков породы, корчевки пней, рыхления тонкого слоя мерзлого грунта.
• Метод глубоких шпуров (глубина до 10 м): Используется при разработке уступов в карьерах, для обрушения грунта, а также при сносе зданий. При разрушении кирпичных стен шпуры бурят в шахматном порядке на глубину 2/3 толщины стены.

Группы шпуровых зарядов обычно взрывают электрическим способом или с помощью ДШ, часто с применением короткозамедленного взрывания для улучшения качества дробления.

3.2. Метод скважинных зарядов

Технологически схож со шпуровым методом, но применяется в большем масштабе. Заряды размещаются в скважинах диаметром 75–300 мм и глубиной до 30 м и более. Для повышения эффективности дробления в нижней части уступа скважины часто бурят с перебуром, то есть ниже уровня подошвы уступа на 1-2 м. Заряжание производится удлиненными зарядами. Этот метод является основным при разработке карьеров и крупных выемок.

Рис. 5 – Подготовка скважин к заряжанию ВВ

3.3. Метод котловых зарядов

Применяется, когда требуемая масса сосредоточенного заряда не помещается в скважину обычного диаметра. В этом случае на дне скважины путем последовательного подрыва нескольких небольших зарядов создают расширенную полость — котел, в который затем помещают основной заряд. Метод позволяет сократить объемы дорогостоящих буровых работ.

3.4. Метод камерных зарядов

Используется для самых масштабных взрывов на выброс или обрушение, например, при строительстве плотин, каналов или разработке крупных котлованов. В толще массива проходятся специальные горные выработки — вертикальные шурфы или горизонтальные штольни, из которых в стороны устраиваются зарядные камеры для размещения крупных сосредоточенных зарядов массой в десятки и сотни тонн. Для надежности в каждый заряд закладывают несколько промежуточных детонаторов.

3.5. Метод накладных (наружных) зарядов

Этот метод заключается в размещении заряда ВВ непосредственно на поверхности взрываемого объекта, иногда в небольшом углублении. Для повышения эффективности заряд прикрывают слоем забойки (например, мешками с песком или глиной). Метод отличается простотой, так как не требует бурения, но крайне неэффективен с точки зрения расхода ВВ — он в 8–10 раз выше, чем при использовании внутренних зарядов. Применяется для дробления валунов, разрушения отдельных металлоконструкций, валки деревьев.

Рис. 6 – Производство массового взрыва в карьере

3.6. Метод щелевых зарядов

Высокоэффективный метод, применяемый для рыхления мерзлого грунта при прокладке траншей. С помощью баровой машины в мерзлом грунте прорезаются две параллельные щели: рабочая (для закладки удлиненных зарядов ВВ) и компенсирующая (свободное пространство, куда будет смещаться разрыхленный грунт). Взрыв зарядов в рабочей щели подрезает и дробит массив мерзлого грунта, который смещается в сторону компенсирующей щели. Это позволяет получить траншею с ровными контурами и значительно (в 4–5 раз) повысить производительность труда по сравнению со шпуровым методом.

Рис. 7 — Схема односторонне направленного выброса: 1 – заряды, 2 – колодцы, 3 – минные камеры

4. Сравнительный анализ методов взрывных работ

Выбор конкретного метода ведения взрывных работ зависит от множества факторов: типа и прочности пород, масштаба проекта, требуемой степени дробления, а также экономических и экологических ограничений. Ниже приведена сравнительная таблица основных методов.

5. Охрана труда и обеспечение безопасности

Взрывные работы относятся к категории работ с повышенной опасностью. Их производство строго регламентируется законодательством, в частности, приказом Ростехнадзора от 03.12.2020 №494 (ред. от 25.05.2022) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности „Правила безопасности при производстве, хранении и применении взрывчатых материалов промышленного назначения“». Документ разработан в соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 года №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» . Любые отклонения от правил недопустимы.

К выполнению взрывных работ допускаются только лица, имеющие специальную квалификацию («Единую книжку взрывника») и прошедшие медицинское освидетельствование. Все работы проводятся под руководством квалифицированного инженерно-технического персонала и при наличии специального разрешения от органов Ростехнадзора.

5.1. Опасная зона и сигналы

Ключевым элементом безопасности является установление опасной зоны — территории, в пределах которой возможно поражение людей и техники разлетом кусков породы, действием ударной воздушной волны и сейсмическими колебаниями. Радиус опасной зоны определяется расчетом для каждого конкретного случая. Минимальный радиус (R, м) для наружного заряда можно оценить по упрощенной формуле:

где m — масса взрываемого наружного заряда ВВ, кг.

При наличии надежных укрытий расчетное значение R может быть уменьшено, но не более чем в 1,5 раза. Перед взрывом установленная опасная зона оцепляется постами охраны.

Для оповещения персонала используется единая система сигналов (звуковых или световых):

• Первый сигнал (предупредительный): Один продолжительный. По этому сигналу начинается оцепление опасной зоны и заряжание.
• Второй сигнал (боевой): Два продолжительных. Весь персонал, кроме взрывников, должен удалиться в укрытия.
• Третий сигнал (взрыв): Серия коротких сигналов. Подается непосредственно перед инициацией взрыва.
• Четвертый сигнал (отбой): Один короткий. Подается после осмотра места взрыва руководителем работ и означает окончание опасности.

5.2. Хранение и транспортировка ВМ

Хранение и транспортировка взрывчатых материалов — особо ответственные операции. ВМ хранятся на специальных, строго охраняемых складах, расположенных на безопасном расстоянии от жилых и промышленных объектов. Территория склада должна иметь ограждение и запретную зону. Транспортировка ВМ осуществляется специализированным транспортом с соблюдением всех мер предосторожности.

По окончании работ все неизрасходованные ВМ сдаются на склад, а непригодные к использованию — уничтожаются в установленном порядке.

Рис. 8 – Оцепление и контроль опасной зоны при взрывных работах

Интересные факты о взрывных работах

• Крупнейший неядерный взрыв: В 1958 году для устранения подводных скал Ripple Rock, мешавших судоходству у побережья Канады, был произведен взрыв 1270 тонн взрывчатки, размещенной в прорытых под скалами тоннелях. Этот взрыв до сих пор считается одним из крупнейших контролируемых неядерных взрывов в истории.
• Взрыв для науки: В 1985 году в рамках советской программы «Геофизика» был произведен мощный подземный взрыв для изучения глубинного строения земной коры. Сейсмические волны от этого взрыва были зафиксированы станциями по всему миру.
• Борьба с лавинами: Взрывные работы активно используются для принудительного спуска снежных лавин в горах, что обеспечивает безопасность горнолыжных курортов и транспортных магистралей.
• Космические технологии: Принцип кумулятивного заряда, используемый для пробивания брони, нашел применение и в космосе. С его помощью научные зонды «стреляют» по кометам и астероидам, чтобы проанализировать выброшенное вещество.

FAQ: Часто задаваемые вопросы о взрывных работах

Как контролируется сейсмическое воздействие от взрыва на соседние здания?

Для снижения сейсмического эффекта используется короткозамедленное взрывание. Массивный заряд разбивается на серию более мелких, взрываемых с интервалом в миллисекунды. Это позволяет разрушить тот же объем породы, но с гораздо меньшей пиковой вибрацией грунта. Также используются специальные методы «оконтуривания» массива.

Можно ли проводить взрывные работы под водой?

Да, это распространенная практика при дноуглубительных работах, строительстве портов и прокладке подводных траншей. Для этого применяются специальные водоустойчивые взрывчатые вещества и герметичные средства инициирования.

Что такое эмульсионные взрывчатые вещества?

Это современный и очень безопасный тип ВВ. Они состоят из двух невзрывчатых по отдельности компонентов (окислителя и горючего), которые смешиваются непосредственно перед заряжанием в скважину специальной смесительно-зарядной машиной. Такое ВВ становится взрывчатым только в скважине, что резко повышает безопасность при транспортировке и хранении.

Заключение

Взрывные работы остаются незаменимой технологией в современном строительстве, горнодобывающей промышленности и многих других отраслях. Несмотря на кажущуюся «грубость» метода, за каждым промышленным взрывом стоит точный инженерный расчет, глубокое понимание физики процессов и строжайшая дисциплина. Развитие технологий движется в сторону повышения безопасности за счет применения менее чувствительных компонентных ВВ, а также увеличения точности и управляемости взрыва благодаря внедрению электронных систем инициирования и программных комплексов для трехмерного моделирования. Это позволяет не только эффективно решать сложнейшие инженерные задачи, но и минимизировать воздействие на окружающую среду, делая мощь контролируемого взрыва все более созидательной силой.