Πρόλογος Μετά από δέκα χρόνια από την πρώτη έκδοση του παρόντος βιβλίου έφτασε η στιγμή για τη δεύτερη έκδοση. Στη δεύτερη αυτή έκδοση έχουν διορθωθεί αρκετά τυπογραφικά λάθη της πρώτης έκδοσης, ενώ έχει προστεθεί νέα ύλη και μερικές ασκήσεις. Το βιβλίο εξακολουθεί να απευθύνεται στους φοιτητές των Ανωτάτων Εκπαιδευτικών Ιδρυμάτων της χώρας, αλλά και σε επαγγελματίες που δραστηριοποιούνται στις ανατινάξεις είτε σε επίπεδο μελετών είτε σε επίπεδο κατασκευών. Ευχαριστίες για την ουσιαστική συμβολή τους στη διόρθωση και συμπλήρωση του κειμένου αλλά και των σχημάτων οφείλονται κατ’ αρχήν στους φοιτητές του Τμήματος Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης που έχουν παρακολουθήσει τις παραδόσεις μου, καθώς και στους κατά καιρούς συνεργάτες μου στο εργαστήριο Μηχανικής Πετρωμάτων του Πολυτεχνείου Κρήτης. Από τη θέση αυτή ιδιαίτερες ευχαριστίες απευθύνονται στον κ. Στέλιο Μαυριγιαννάκη και τον Δρ. Κώστα Κακλή, Μηχανικούς Μεταλλείων, για τη συμβολή τους στην εκπόνηση διπλωματικών και μεταπτυχιακών εργασιών καθώς και στη κ. Φ. Σταθογιάννη, Μηχανικό Ορυκτών Πόρων για τη συμβολή της στην ανανέωση του παρόντος τόμου. Ευχαριστώ επίσης τον συνάδελφο κ. Ηλία Μπαλικτσή για την ευγενική παραχώρηση της φωτογραφίας του εξωφύλλου. Καλοκαίρι 2019 Καθηγητής Ζ. Αγιουτάντης
vii
Πρόλογος πρώτης έκδοσης Το βιβλίο αυτό απευθύνεται στους τελειόφοιτους φοιτητές του Πολυτεχνείου Κρήτης, αλλά και των άλλων Ανωτάτων Εκπαιδευτικών Ιδρυμάτων της χώρας, που παρακολουθούν μαθήματα σχετικά με διάτρηση και ανατινάξεις σε μεταλλεία, λατομεία, ορυχεία ή και τεχνικά έργα, όπως σήραγγες, οδοποιία, κλπ. Επίσης απευθύνεται στους μηχανικούς που σήμερα δραστηριοποιούνται επαγγελματικά σε αντίστοιχα θέματα. Κάνοντας μία σύντομη αναδρομή στη βιβλιογραφία, θα βρει κανείς πληθώρα συγγραμμάτων που περιγράφουν, από διαφορετικές σκοπιές, θεωρητικά και εφαρμοσμένα θέματα Γεωμηχανικής και κατ’ επέκταση θέματα διάτρησης - ανατίναξης. Σίγουρα, η παρούσα πρώτη έκδοση δεν καλύπτει όλα τα θέματα που πραγματεύεται η διεθνής ή και η Ελληνική βιβλιογραφία σε αυτό το γνωστικό αντικείμενο, επικεντρώνεται, όμως, στην παρουσίαση των βασικών αρχών. Ευχαριστίες για την ουσιαστική συμβολή τους στην ολοκλήρωση του κειμένου και των σχημάτων οφείλονται στον κ. Στέλιο Μαυριγιαννάκη, στην κα Ειρήνη Καλογήρου, στον κ. Ερνέστο Σαρρή, στην κα Ζωγραφιά Παπαδάκη, καθώς και στην κα Χαρά Παπαντώνη. Ευχαριστώ επίσης τον συνάδελφο κ. Ηλία Μπαλικτσή για την ευγενική παραχώρηση της φωτογραφίας του εξωφύλλου. Χανιά, Σεπτέμβριος 2009 Καθηγητής Ζ. Αγιουτάντης
ix
Πίνακας περιεχομένων Πίνακας συμβόλων
xxvii
Πίνακες μετατροπής μονάδων
xxix
1 Εισαγωγή 1.1 Εξόρυξη του πετρώματος . . . . . . 1.2 Όρυξη διατρημάτων . . . . . . . . . . 1.3 Εξόρυξη με τη χρήση εκρηκτικών . . 1.4 Εξόρυξη χωρίς τη χρήση εκρηκτικών 1.5 Άλλες μέθοδοι εξόρυξης . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
2 Όρυξη διατρημάτων 2.1 Γενικά . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Ιστορική εξέλιξη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Αρχές της διείσδυσης στα πετρώματα . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Μηχανική διάτρηση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Κρουστική διάτρηση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Κρουστικός παλμός . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Θραύση στην κρουστική διάτρηση . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Εφαρμογές και πλεονεκτήματα της κρουστικής διάτρησης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Εξοπλισμός της κρουστικής διάτρησης . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Κοπτικά άκρα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Διατρητικά στελέχη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Σφύρες διάτρησης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4 Επιφανειακά συγκροτήματα διάτρησης . . . . . . . . . . 2.6.5 Υπόγεια συγκροτήματα διάτρησης . . . . . . . . . . . . . 2.6.6 Υδραυλική και αεροκίνητη διάτρηση . . . . . . . . . . . . 2.6.7 Συνθήκες αποδοτικής λειτουργίας των κρουστικών σφυρών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.8 Σύγκριση του υδραυλικού και αεροκίνητου εξοπλισμού . xiii
1 1 3 3 4 5 7 7 8 8 11 13 13 15 16 17 17 19 22 24 25 25 25 27
Πίνακας περιεχομένων
xiv 2.7 2.8 2.9
2.10 2.11 2.12 2.13
Ενδοδιατρηματική αερόσφυρα . . . . . . . . . . . . Σύστημα Coprod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Περιστροφική διάτρηση . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.1 Θραύση στην περιστροφική διάτρηση . . . 2.9.2 Παράμετροι της περιστροφικής διάτρησης Περιστροφική και κρουστική διάτρηση . . . . . . . Επιλογή κοπτικού σε ειδικές εφαρμογές . . . . . . Επιλογή διατρητικού συστήματος . . . . . . . . . . Απόκλιση διατρημάτων από τον άξονα διάτρησης
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
3 Εκρηκτικές ύλες 3.1 Ορισμοί εκρηκτικών υλών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Θραύση του πετρώματος με εκρηκτικές ύλες . . . . . . . . . 3.3 Ιστορική ανασκόπηση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Χημική σύσταση των εκρηκτικών . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Προτεραιότητα χημικών αντιδράσεων . . . . . . . . . 3.4.2 Πυρίτιδες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Νιτρικό αμμώνιο . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Εκρηκτικά με βάση τη νιτρογλυκερίνη . . . . . . . . . 3.4.5 Πετρελαιοαμμωνίτες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.6 Εκρηκτικά υγρής φάσης και γαλακτώματα . . . . . . 3.4.7 Άλλα οργανικά και ανόργανα εκρηκτικά . . . . . . . 3.4.8 Υποκατάστατα εκρηκτικών . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Ιδιότητες των εκρηκτικών υλών . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Ισχύς των εκρηκτικών . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Ταχύτητα έκρηξης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Εκλυόμενη ενέργεια . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Πίεση έκρηξης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.5 Πυκνότητα εκρηκτικής ύλης . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.6 Ανθεκτικότητα στο νερό . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7 Ευαισθησία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.8 Ευαισθησία σε τριβή . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Έκρηξη και ανάφλεξη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Ταξινόμηση των εκρηκτικών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1 Ταξινόμηση ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής . . . . . 3.7.2 Ταξινόμηση ανάλογα με την ταχύτητα έκρηξης και την ευαισθησία . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.3 Ταξινόμηση ανάλογα με την ασφάλεια κατά τη μεταφορά . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.4 Ταξινόμηση ανάλογα με τα αέρια προϊόντα έκρηξης
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
29 30 31 31 34 35 37 37 37
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43 . 43 . 44 . 44 . 47 . 48 . 48 . 49 . 49 . 50 . 53 . 55 . 57 . 58 . 59 . 62 . 67 . 69 . 71 . 72 . 73 . 75 . 76 . 80 . 80
. . 80 . . 81 . . 81
Πίνακας περιεχομένων 3.8
xv
Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.8.1 Υπολογισμός σύστασης ANFO . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.8.2 Υπολογισμός πίεσης έκρηξης . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Έναυση των εκρηκτικών 4.1 Γενικά περί καψυλλίων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Έναυση με μη ηλεκτρικά μέσα . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Θρυαλλίδα ασφαλείας . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Κοινά καψύλλια δυναμίτιδας . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Θρυαλλίδα ομαδικής πυροδότησης . . . . . . . . . . . 4.2.4 Ακαριαία θρυαλλίδα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Συστήματα μετάδοσης ασθενούς κρουστικού παλμού 4.2.6 Συστήματα ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής . . . . . . 4.3 Έναυση με ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά μέσα . . . . . . . . . 4.3.1 Τύποι ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών καψυλλίων . . . 4.3.2 Χαρακτηριστικά έναυσης των ηλεκτρικών καψυλλίων 4.3.3 Συσκευές πυροδότησης . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Έναυση κυκλωμάτων ηλεκτρικών καψυλλίων . . . . . 4.3.5 Σχεδιασμός κυκλωμάτων ηλεκτρικών καψυλλίων . . 4.4 Συστήματα επιβράδυνσης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Μη ηλεκτρικά συστήματα επιβράδυνσης . . . . . . . 4.4.2 Ηλεκτρικά συστήματα επιβράδυνσης . . . . . . . . . 4.5 Χρήση ενισχυτικών εναυσμάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Θέση έναυσης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Υπολογισμός κυκλώματος . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Μηχανισμός θραύσης του πετρώματος 5.1 Ζώνες θρυμματισμού στην κρουστική φάση . . . . . . 5.2 Διάδοση του κρουστικού κύματος . . . . . . . . . . . . 5.3 Ανάκλαση και διάθλαση κρουστικού παλμού . . . . . 5.3.1 Πρόσπτωση του κρουστικού κύματος σε ελεύθερη επιφάνεια . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Πρόσπτωση του κρουστικού κύματος σε ανοικτή ρωγμή . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Σύνθετη αντίσταση εκρηκτικού . . . . . . . . . 5.4 Ωστική φάση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Δημιουργία κρατήρα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1 Υπολογισμός σύνθετης αντίστασης . . . . . . . 5.6.2 Υπολογισμός έντασης κρουστικών παλμών . .
. . . . . . .
85 . 86 . 88 . 88 . 89 . 89 . 89 . 90 . 93 . 93 . 93 . 95 . 97 . 99 102 103 103 104 107 110 112 112
115 . . . . . 115 . . . . . 118 . . . . . 120 . . . . . 122 . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
122 124 125 126 130 130 131
Πίνακας περιεχομένων
xvi 5.6.3 5.6.4
Υπολογισμός απομείωσης κρουστικού παλμού σε αποσυζευγμένη γόμωση . . . . . . . . . . . . . 131 Πρόσπτωση παλμού σε ασυνέχεια πληρωμένη με αργιλικό υλικό . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6 Παράμετροι σχεδιασμού 6.1 Γεωλογικοί παράγοντες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Επίδραση της πυκνότητας και σκληρότητας των πετρωμάτων . 6.3 Επίδραση των χαλαρών ζωνών και των κενών . . . . . . . . . . 6.4 Επίδραση των ασυνεχειών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Εμπειρικοί κανόνες σχεδιασμού . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133 135 136 136 137 139
7 Επιφανειακές ανατινάξεις 7.1 Διάμετρος των διατρημάτων . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Προσδιορισμός του ύψους βαθμίδας . . . . . . . . . 7.3 Διάταξη των διατρημάτων . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Γεωμετρία των διατρημάτων . . . . . . . . . . . . . 7.5 Διατάξεις διατρημάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Προσδιορισμός του φορτίου . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Εμπειρική εξίσωση του Anderson . . . . . . 7.6.2 Εμπειρική εξίσωση του Fraenkel . . . . . . . 7.6.3 Εμπειρική εξίσωση του Pearse . . . . . . . . 7.6.4 Εμπειρική εξίσωση του Langefors . . . . . . 7.6.5 Εμπειρική εξίσωση του Ash . . . . . . . . . 7.6.6 Εμπειρική εξίσωση του Konya . . . . . . . . 7.6.7 Εμπειρική εξίσωση του Konya (1983) . . . . 7.6.8 Εμπειρική εξίσωση του Földesi . . . . . . . . 7.6.9 Άλλες εμπειρικές σχέσεις . . . . . . . . . . . 7.7 Απόσταση των διατρημάτων . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1 Εμπειρικές σχέσεις του Pearse . . . . . . . . 7.7.2 Εμπειρικές σχέσεις του Langefors . . . . . . 7.7.3 Εμπειρικές σχέσεις του Ash . . . . . . . . . 7.7.4 Άλλες εμπειρικές σχέσεις . . . . . . . . . . . 7.8 Γόμωση των διατρημάτων . . . . . . . . . . . . . . . 7.9 Συντελεστές διόγκωσης και επιπλήσματος . . . . . . 7.10 Ποσότητα εκρηκτικών ανά διάτρημα . . . . . . . . . 7.10.1 Υπολογισμοί για απλά διατρήματα . . . . . 7.10.2 Θεωρία κρατήρα κατά Livingston (1956) . . 7.10.3 Υπολογισμός κατά Westwater . . . . . . . . . 7.10.4 Υπολογισμοί με άλλες τετραγωνικές ή κυβικές σχέσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141 144 145 146 147 149 154 159 160 160 160 161 162 163 163 164 164 165 166 169 170 170 171 172 174 176 176
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 176
Πίνακας περιεχομένων 7.10.5 Χρήση ενισχυτικού εναύσματος . . . . . . 7.11 Στόχος βελτιστοποίησης μιας ανατίναξης . . . . . 7.12 Τεχνικές ελεγχομένων ανατινάξεων . . . . . . . . . 7.12.1 Διάτρηση γραμμής . . . . . . . . . . . . . . 7.12.2 Πρότμηση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12.3 Ανατινάξεις με απόσβεση . . . . . . . . . . 7.13 Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13.1 Υπολογισμός όγκου και βάρους . . . . . . 7.13.2 Υπολογισμός παραμέτρων ανατίναξης (Α) 7.13.3 Σύγκριση εξισώσεων υπολογισμού φορτίου 7.13.4 Υπολογισμός φορτίου (A) . . . . . . . . . . 7.13.5 Υπολογισμός φορτίου (B) . . . . . . . . . . 7.13.6 Υπολογισμός παραμέτρων ανατίναξης (Β) 7.13.7 Υπολογισμός παραμέτρων ανατίναξης (Γ)
xvii . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
8 Σχεδιασμός υπογείων ανατινάξεων 8.1 Η αρχική διάνοιξη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Οι αρχικές κοπές υπό γωνία . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Οι παράλληλες αρχικές κοπές . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Ισοδύναμη διάμετρος ελεύθερων διατρημάτων . . . 8.1.4 Η αρχική κοπή τεσσάρων τετραγώνων . . . . . . . 8.2 Η κύρια ανατίναξη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Επιβραδύνσεις σε υπόγειες ανατινάξεις . . . . . . . . . . . 8.4 Τεχνικές ελεγχομένων ανατινάξεων . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1 Υπολογισμός φορτίου . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2 Υπολογισμός γραμμικής πυκνότητας γόμωσης . . . 8.5.3 Υπολογισμός αρχικής κοπής τεσσάρων τετραγώνων 9 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 9.1 Κύματα που δημιουργούνται από ανατινάξεις . . . . . . 9.2 Απόκριση κατασκευών στις δονήσεις . . . . . . . . . . . . 9.3 Εξοπλισμός για τη μέτρηση δονήσεων . . . . . . . . . . . 9.4 Επίδραση των επιβραδύνσεων . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Κριτήρια ζημιών λόγω δονήσεων . . . . . . . . . . . . . . 9.5.1 Μέτρα για την ελάττωση των εδαφικών δονήσεων 9.6 Ωστικό κύμα λόγω ανατινάξεων . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.1 Παράγοντες που επηρεάζουν το ωστικό κύμα . . 9.6.2 Κριτήρια ζημιών σε κατασκευές λόγω ωστικού κύματος . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.3 Μέτρα για την ελάττωση του ωστικού κύματος .
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
177 178 178 180 181 181 181 181 182 183 183 183 183 184
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
191 191 192 194 197 197 202 202 203 205 205 206 208
. . . . . . . .
. . . . . . . .
211 211 212 212 215 216 219 223 223
. . . 225 . . . 225
Πίνακας περιεχομένων
xviii
9.7
9.6.4 Τυποποιήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.1 Υπολογισμός μοριακής ταχύτητας ταλάντωσης 9.7.2 Υπολογισμός ποσότητας εκρηκτικών . . . . . . 9.7.3 Υπολογισμός παραμέτρων ανατίναξης . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
225 226 226 226 226
10 Αποθήκευση και καταστροφή 227 10.1 Υπόγειες αποθήκες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 10.2 Υπαίθριες αποθήκες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 10.3 Καταστροφή των εκρηκτικών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 11 Εξόρυξη χωρίς εκρηκτικά 11.1 Συστήματα μηχανικής εξόρυξης του πετρώματος 11.2 Διείσδυση σφήνας στο πέτρωμα . . . . . . . . . . 11.3 Αλυσιδωτά συστήματα κοπής . . . . . . . . . . . 11.4 Συστήματα εγκοπτήρα βραδείας κοπής . . . . . 11.5 Μηχανικό άροτρο . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Απόξεση και φόρτωση του πετρώματος . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
231 231 232 234 235 235 237
Βιβλιογραφία
241
Ευρετήριο
247