Влияние кукурузной соломы на эффективность горноразбивающих зажигательных составов

Превращение сельскохозяйственных отходов в более безопасную силу для разрушения пород

Разрушение пород необходимо для горных работ, прокладки тоннелей и строительства городов, но традиционные взрывчатые вещества могут вызывать подземные толчки, разбрасывать опасные осколки и создавать серьёзные проблемы по безопасности и для окружающей среды. В этом исследовании изучается неожиданный помощник в решении этой задачи: кукурузная солома — распространённый сельскохозяйственный отход, который часто сжигают или выбрасывают. Добавив тонко измельчённую кукурузную солому в специальную тепловыделяющую смесь для растрескивания породы, исследователи показали, что можно улучшить разрушение, снизить затраты и одновременно утилизировать сельхозотходы.

Почему породе нужен более «мягкий» толчок

Во многих инженерных проектах в породе сверлят отверстия и используют энергичные материалы для её раскалывания. Традиционные взрывчатые вещества делают это очень быстро, создавая ударные волны, которые могут повредить соседние конструкции и представлять опасность. Альтернатива — использовать зажигательные составы — смеси, которые интенсивно горят, а не детонируют. Такие смеси, часто состоящие из алюминиевой пыли и нитрата калия, производят высокую температуру и расширяющиеся газы, которые раздвигают трещины в породе более мягко, чем взрыв. Задача — сделать эти составы достаточно мощными и эффективными, одновременно повышая безопасность и устойчивость.

От кукурузного поля до скважины

Исследователи заменили часть алюминиевой пыли в стандартной смеси для разрушения пород тонко измельчённой кукурузной соломой — биомассой, богатой углеродом и летучими компонентами. Они опробовали множество рецептур, выстреливая небольшие заряды из пускового устройства и измеряя, насколько далеко улетала тяжёлая крышка, что отражает полезную работу смеси. Лучший состав содержал 70% нитрата калия, 21% алюминия и 9% кукурузной соломы — то есть почти треть металлического топлива была заменена растительным материалом. При таком соотношении внешняя полезная работа смеси увеличилась примерно на 38%, а крышка пролетела около 40% дальше по сравнению с оригинальной формулой, что показывает: солома не просто наполнитель, а эффективная часть энергетической системы.

Что происходит при нагревании смеси

Чтобы понять, почему кукурузная солома помогает, команда нагревала маленькие образцы, одновременно отслеживая потерю массы и выделяемые газы. Они обнаружили, что модифицированная смесь разлагается в несколько стадий. Сначала испаряется связанная в соломе вода. Затем компоненты соломы — такие как целлюлоза и лигнин — медленно разлагаются, образуя газы и углеобразный остаток. Наконец, этот углеродистый чёрный компонент реагирует с нитратом калия и алюминием при высокой температуре, что вызывает выброс газов, в основном углекислого газа, и образование твёрдых оксидов. По сравнению с исходной смесью версия с соломой теряла больше массы и генерировала больше газа на этих поздних стадиях, а значит — в распоряжении для раздвигания породы оказалось больше расширяющегося газа.

Прохладнее пламя, безопаснее обращение, лучшие трещины

Добавление кукурузной соломы меняет и способ воспламенения, и процесс горения смеси. Поскольку разложение растительного материала поглощает тепло, модифицированному составу требуется больше электроэнергии для воспламенения: его энергия поджига возросла примерно с 201 до 375 джоулей на грамм. Это повышенное пороговое значение делает смесь менее чувствительной к случайным запускам, улучшая безопасность при хранении и обращении. При этом максимальная температура горения падает примерно на 41% — с почти 1000 °C до ниже 600 °C, что даёт более мягкое, но всё ещё эффективное горение. В реальных испытаниях на разрушение бетона состав с биомассой давал фрагменты в среднем примерно на 29% меньшего размера и более однородные по габаритам — явный признак улучшенного дробления. Расчёты также показали, что теоретическая газогенерация этой смеси более чем удвоилась, достигнув примерно 2,45 раза по сравнению с исходной смесью.

От отходов соломы к более разумному разрушению пород

Для неспециалиста главный вывод прост: смешивание измельчённой кукурузной соломы с зажигательным составом для разрушения пород помогает более эффективно раздвигать породу, одновременно делая состав безопаснее в поджиге и дешевле в производстве. Растительный материал увеличивает образование газа, улучшает характер разрушения породы и повышает энергию, необходимую для запуска реакции, не полагаясь исключительно на дорогие металлические порошки. Параллельно это превращает сельскохозяйственные отходы в полезный ресурс. С дальнейшей доработкой и испытаниями в суровых полевых условиях этот подход может предложить горнодобывающей и строительной отраслям более устойчивый и контролируемый способ разрушения пород — используя энергию, полученную как с поля кукурузы, так и в лаборатории.

Цитирование: Xie, Q., Liu, L., Wang, M. et al. Effects of corn straw on the performance of rock-breaking incendiary agents. Sci Rep 16, 4968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35665-5

Ключевые слова: энергия биомассы, разрушение породы, кукурузная солома, зажигательные составы, устойчивое горное дело