Современные проблемы в области разрушения горных пород

Дробление горной породы в процессе ее отделения от горного массива определяет эффективность всех последующих процессов ее переработки, поэтому установление механизма разрушения и способов управления этим механизмом - главная задача науки о разрушении горных пород.
Для реализации процесса разрушения необходимо передать разрушаемой среде требуемое количество энергии из внешних источников. Разработка таких источников и способов их применения - следующая важнейшая задача науки о разрушении горных пород.
Крупной и актуальной проблемой является создание теории распространения микро- и макронарушений в горном массиве, теоретических основ развития зон нарушенности. Важно выяснить роль различных факторов, влияющих на процессы трещинообразования при динамических воздействиях на массивы.
Одной из острых остается проблема повышения эффективности взрывного разрушения горных пород, что по-прежнему связано с разработкой новых взрывчатых веществ для горнодобывающей промышленности. В нашей стране в горной промышленности применяли в основном взрывчатые вещества (гранулированные, тротилосодержащие), изготавливаемые на заводах оборонной промышленности. В настоящее время, в условиях рынка, применение таких составов экономически неоправданно, горная промышленность нуждается в дешевых бестротиловых составах, допускающих изготовление BB непосредственно на горных предприятиях, на месте применения.
Остро ощущается потребность в предохранительных взрывчатых веществах для шахт, опасных по газу и пыли. За последние несколько десятилетий в нашей стране не было разработано ни одной рецептуры новых эффективных видов предохранительных ВВ.
Необходимо компьютеризировать все процессы, связанные с проектированием и ведением взрывных работ, разработать программы расчета зон безопасности по различным факторам при ведении взрывных работ в соответствии с действующими нормативными документами.
Приоритетные научные направления исследований в области разрушения горных пород. При совершенствовании существующих и разработке новых способов взрывного разрушения горных пород в первую очередь следует указать на развитие теории взрыва в горной породе и познание механизма трещинообразования при взрыве, на создание высокоэффективных способов регулирования направленным действием взрыва как основы для разработки новых типов взрывчатых веществ для горной промышленности и новых видов средств механизации взрывных работ.
Взрывчатые вещества, разрабатываемые для горнодобывающей промышленности, должны допускать возможность их изготовления непосредственно на месте применения. Использование на горных предприятиях таких взрывчатых веществ позволяет существенно снизить затраты на взрывные работы и уменьшить опасность, связанную с транспортированием и хранением больших количеств взрывчатых материалов.
Основная проблема в этой области - разработка взрывчатых составов повышенной энергии без взрывчатых сенсибилизаторов. BB должны иметь минимальное количество токсичных компонентов в продуктах детонации, обладать водоустойчивостью и сравнительно низкой вязкостью, позволять достаточно быстро производить зарядку скважин.
Для решения этой проблемы необходимо совершенствовать рецептуры различных видов взрывчатых веществ местного изготовления: простейших смесевых веществ типа игданитов, водосодержащих типа ГЛТ и ифзанитов, эмульсионных типа поремитов. Следует помнить, что все указанные виды взрывчатых веществ местного изготовления имеют свои достоинства: простейшие смесевые - минимальную стоимость; эмульсионные - водоустойчивость; водосодержащие - возможность получения максимальной концентрации энергии в зарядной полости.
Решение многих вопросов обусловлено созданием теории передачи горной породе внешней энергии, обеспечивающей ее разрушение, и принципов управления этим процессом. В этом имеет большое значение анализ различных физических явлений для выяснения возможности создания способов разрушения горных пород, альтернативных взрывному. К такого рода явлениям относятся те, которые связаны с организацией направленного и, в той или иной степени, локализованного в массиве горной породы потока энергии. Возможности современной техники по организации таких потоков весьма широки, однако их применение для разрушения горных пород изучено еще недостаточно. Тем не менее некоторые обоснованные суждения по поводу перспективности того или иного способа можно высказать.
Наиболее распространенным способом разрушения горной породы является механический с использованием различного вида инструмента. Наряду с традиционными направлениями исследования взаимодействия инструмента и породы перспективным может оказаться направление, исследующее это взаимодействие в присутствии веществ, ослабляющих приповерхностную прочность горной породы.
Другим весьма распространенным способом разрушения горной породы является способ гидравлического ее отделения от массива. Здесь перспективные направления исследований лежат в области использования абразивных добавок и комбинации гидровоздействия с механическим воздействием.
Исследование способов воздействия на горную породу, предусматривающих использование высокоскоростного удара и кумуляции, также заслуживает внимания. Однако область их применения будет, видимо, ограничена специальными видами работ (например, разрушение негабаритных кусков породы).
Наименее исследованным из семейства механических способов воздействия на горную породу является вибрационный. Определенные перспективы его использования имеют место, но явно ощущается недостаток информации о его особенностях.
Большая группа способов основана на термовоздействии. Энергетические характеристики способов, использующих пламя и потоки плазмы, таковы, что широкомасштабное их применение вряд ли будет оправданно, тем более что возникающие при этом экологические проблемы весьма серьезны. Другие способы, входящие в эту группу, связаны с процессами преобразования энергии электромагнитных колебаний различных частотных диапазонов в тепловую энергию, передаваемую горной породе. Наименее перспективными с точки зрения учета удельных энергозатрат являются лазерный и инфракрасный способы.
Использование колебаний СВЧ-диапазона представляет определенный практический интерес, и исследование этого способа воздействия должно продолжаться.
Электромагнитное поле предоставляет возможность организации ударного воздействия на горную породу, оно может быть реализовано в результате осуществления электропробоя горной породы либо в статическом электрическом поле, либо в электромагнитном импульсе с достаточно высоким уровнем напряженности электрической составляющей поля. Исследования в этих направлениях вполне оправданны, хотя сфера применения такого рода воздействий ограничена.
Определенный интерес представляет изучение комбинированных воздействий, например термомеханического, виброэлектромагнитного и т.п. Используя потоки энергии различных полей, можно уменьшить удельные энергозатраты на разрушение того или иного объема горной породы.
Оценка удельных энергозатрат, характерных для каждого из упомянутых способов разрушения горной породы, показывает, что ни один из них не может конкурировать с взрывным. Определенные преимущества некоторых из них возникают только при учете экологических последствий их применения. На этом фоне достаточно интересным, по крайней мере в научном плане, представляется недавно разработанный способ воздействия на горную породу с помощью газовых или жидкостных химически активных по отношению к разрушаемому материалу струй. Принципиальным его преимуществом перед другими способами воздействия является использование энергии химической реакции, возникающей при контакте струи с разрушаемым материалом, что влечет за собой существенное уменьшение энергозатрат.
Весьма актуальной является в настоящее время проблема компьютеризации расчетных методов проектирования и ведения взрывных работ, в том числе создание автоматизированных систем управления способами взрывного разрушения горных массивов на основе анализа данных о структуре и механических свойствах разрушаемой среды.
Приобретает все большую актуальность разработка экологически безопасных способов ведения взрывных работ на горных предприятиях, а также создание методов снижения экологических последствий ведения взрывных работ, что предполагает в первую очередь экологическую безопасность собственно взрывчатых составов, применяемых в освоении недр.

---