Bergsprängning genom tiderna

Genom tiderna så har stora bergsprängare och ingenjörer revolutionerat sprängningen till den vetenskap och konst som används idag. Här kommer vi att beskriva de historiska metoderna för borrning, lastning och sprängning, samt ta läsaren genom historien och beröra stora utvecklingar som skett genom tiderna.

Vi börjar först med en kort historia om borrning

En liten guldgruva i Ungern påbörjade ett experiment 1627 som förändrade gruvdriften för alltid.

Den 8 februari var en sval, klar morgon det året på den ungerska landsbygden när gruvarbetarna gick ner i underjorden. Men den här dagen var annorlunda.

Caspar Weindl ledde gruppen, som observerades av den ungerska gruvtribunalen, och han hade en ny idé som skulle testas.

Arbetsstyrkan på Oberbiberstollen av Schemnitz skulle försöka bryta berget och komma åt guldet, inte med eld och vinäger, utan med svartkrut. Det började med att använda en stav som de slog på med en stor hammare, tvingade in horisontella hål i ytan av driften och efteråt fyllde de varje hål med små mängder svartkrut. Sedan placerades ett vassrör fyllt med svartkrut i hålet och en träplugg sattes in i änden för att hålla allt tätt.

Weindl tände på vassen och arbetsstyrkan sprang och tog skydd. En tryckstöt träffade deras bröst med kraft, marken skakade i vad som verkade vara evigheter och männen bad i hopp om att de skulle kunna ta sig ur gruvan.

När dammet lagt sig så tittade alla för att se vilken förstörelse som låg i kölvattnet av explosionen. De såg sten – inte massiv sten som skulle ta dagar eller veckor att bryta, utan finbrutna stenbitar som kunde föras upp till ytan för ytterligare bearbetning.

Historian om borrning börjar

Berättelsen om borrning börjar i dessa tidiga gruvor i Ungern och Tyskland, innan sprängtekniken hade tagits sig till resten av världen.

De ungerska och tyska gruvarbetarna tog stora hammare och slagjärn (mejslar) och slog med dem hål i berget, hål som var cirka 2 tum i diameter och cirka 40 tum långa. Hålen laddades sedan med cirka 16 gram svartkrut och detonerades.

Detta var inte en tidsålder för optimering av sprängkraften. Fokus låg på att slutföra jobbet och sprida tekniken till andra gruvor. För att borra ett hål krävdes det en arbetsstyrka på fem män – en som skulle hålla och vrida slagjärnet, tre män med tunga släggor som turades om att slå på det och en man som hade paus. Hela arbetsstyrkan roterade för att säkerställa att de förblev aktiva och inte blev alltför slitna.

Medan innovationer som lertrampning (stampning) och pulverfaktor utvecklades, kom nästa stora förändring av sprängmiljön från en förbättrad borrkapacitet.

Den första nya borrtekniken kom 1683, när Henning Huthmann föreslog ett nytt borrsystem som använde gravitation för att borra hål. Den här borren kunde endast användas på vertikala hål (såsom schakt och dagbrottsgruvor har) och borrstålet skulle slås in i berget.

Två ”starka män” skulle plocka upp en tung vikt som hölls på plats av en repram, lyfta den högt och släppa den på stången med borrstålet. Det rapporterades att endast 10 slag skulle krävas för borren att nå 1,5 tum djupt – men det är lätt att förstå hur långsam och mödosam produktionen var vid den här tiden.

Detta var känt som droppborren, en kategori av borrar som förlitade sig på att tappa en vikt på baksidan av stålet samtidigt som man roterade stålet något för att få borren att gå inåt. Detta är en liknande mekanism som den borrning som används idag – slagborrning – men var arbetsintensiv och krävde vanligtvis en människa för att lyfta upp vikten och släppa den.

Dåtidens borrar var långsamma och ineffektiva för att borra i sten. Hålen spolades inte med tryckluft eller vatten för att avlägsna borrspån och all borrning förlitade sig enbart på slående slag.

1749 introducerade ungerska gruvarbetare kilborren och ett decennium senare introducerade tyskarna mejselborren. Dessa bidrog till att öka effektiviteten men löste ändå inte problemen med borrspån.

Ytterligare forskning visade att en kombination av antalet slag och vikten som släpptes på baksidan av borren båda bidrog till borrhastigheten. Experiment gjordes över hela världen efter den ”ideala” vikten för droppborrsystemet.

År 1840 uppstod en ny metod av borrteknik: roterande borrning. Detta system förlitade sig på en man som för hand svängde ett borrstål som sakta skulle arbeta in ett hål i berget. Detta system användes ursprungligen endast i kol och mycket svaga material, eftersom trycket och rotationshastigheten inte var tillräckligt snabba för en god penetration i hårt berg.

Före den här tiden så var den enda maskinborren droppborren för vertikala hål. Så detta nya system gav gruvarbetare möjligheten att enkelt och snabbt borra borrhål under jord.

År 1844 uppfanns den första mekaniserade slagborren av Brunton, som använde tryckluft för att applicera slagkraften för att träffa borren. Detta utvecklades senare av Nasmyth, och gruvsamhället fick nu tillgång till en enkel metod att borra horisontella hål med tryckluft: slagborrar. Denna teknik utvecklades snabbt av Schumann, Cave, Couch och Burleigh, och utvecklades till vad vi idag känner som jackleg-borren.

Med dagbrott som ville ha hål med en större diameter än hålen med en diameter på 1,25 till 2,25 tum som de som användes under jord, gjorde att rotationsborrningen började avancera. Ursprungligen så var målet en håldiameter på 4 tum, sedan 6 tum, och hålen de har sedan dess fortsatt att växa i storlek genom tiderna.

Samtidigt blev det absolut nödvändigt att borra djupare hål när uppfinningen av dynamit introducerades. Med svartkrut så måste laddningarna vara korta för att fungera korrekt och långa borrhål behövdes därför inte. Med uppfinningen av dynamit förändrades dock allt och borrtekniken fick hänga med.

Drop-borrsystemet var utmärkt för vertikala hål i schakt, men det kunde inte hålla jämna steg med gruvornas önskemål om hål med en större diameter. Drop-borrarna var inte heller särskilt portabla, och de roterande borrarna började ta över.

Dessa borrar kunde ha en större diameter och var bärbara, de manövrerades från början med ett system av kugghjul för att tillåta en man att borra ut tillräckligt för en sprängning. Så småningom gick det över till att göra borrningen mekaniserad genom uppfinningar av Armstrong, Keystone och Downie. Dessa borrar ledde rörelsen mot moderna roterande borrar med en stor diameter som de borrar som är tillgängliga idag.

Nuvarande borrläge

Även om en hel bok skulle kunna skrivas om borrningens historia och de olika typerna av borrar som uppfanns, så berättar denna korta analys historien om borrning från det första borrhålet som placerades i berg för sprängning till starten av dagens moderna borrsystem. Så låt oss göra ett kort hopp framåt i tiden till de borrsystem som används inom gruv- och byggnadsindustrin idag.

Det finns tre huvudklassificeringar av borrar. Det första och vanligaste systemet är den övre borrhammaren. Detta är ett slagsystem som fungerar genom  slående slag på änden av borrstålet. Stålets snabba slag och varv möjliggör en snabb borrning. Detta system liknar de gamla droppborrsystemen som arbetade med samma grundläggande princip och mekanik. Den övre borrhammarens typiska borrstorlek är 2 till 4 tum och de har ett maximalt praktiskt djup på cirka 60 fot.

Det andra systemet är borrhammaren (DTH), som även den har en slagborrstil men den har sin slagverkan placerad omedelbart ovanför borrkronan. Detta gör det möjligt att borra betydligt djupare borrhål som kan sträcka sig över 300 fot ner i berget. Dessa har inte heller ett minskat inträngningsdjup.

Den här typen av borrar fungerar även bra i borrhål med en betydligt större diameter, och den typiska borrstorleken sträcker sig från 3,5 till 10 tum. Detta var ett stort framsteg inom slagtekniken för att tillåta djupare, mer exakta hål med en större diameter än topphammaren. Av denna anledning har DTH-borrar tagit över en stor del av marknaden för gruvborrar, framförallt i medelhårda bergarter.

Det tredje systemet som för närvarande finns på marknaden är roterande borrar, som fungerar på samma sätt som de roterande systemen från slutet av 1800-talet och början på 1900-talet. De använder ett stort och tungt nedåtriktat tryck för att hålla borrkronan i kontakt med berget och arbeta bort bergmassan och göra borrhål med en stor diameter. Dessa borrar har en minimal borrhålsavvikelse, eftersom de använder stora stål som är hopgängade för att borra i berget.

I hårda bergarter för hål med en stor diameter använder de vanligtvis en tri-kon borrkrona, som ger upp till en tiofaldig ökning av borrhastigheten för att dra bitar ur berget och borrhålen kan vara upp till 17,5 tum i diameter. Dessa borrmaskiner är arbetshästarna för den stora ytgruvindustrin.

Borrning i framtiden

Ingen historia om borrning är komplett utan en titt på vad som komma skall i borrvärlden.

Idag görs förbättringar inte bara av borrutrustningen utan även i den medföljande programvaran som används. Moderna utrustningar avancerar till att bli helt automatiserade utan något behov av en operatör i hytten. Dessa borrar är autopositionerande och borrar automatiskt ett hål till det exakta djupet som är planerat – och detta är ingen lätt uppgift för en mänsklig operatör. Dagens maskiner är dock mycket dyra och kräver stora investeringar och lån. Det kan krävas bra förbindelser och en trygg kreditbank för att starta en projektering.

Dagens borrar registrerar automatiskt nyckelparametrar som penetrationshastigheter för att utveckla automatiska borrhålsloggar för att hjälpa till att förstå berget. Denna teknik kommer sannolikt att utvecklas till helt autonoma borrflottor som då inte bara tar fram information om penetrationshastigheter, utan som även automatiskt tar prover på berget för att få besked om egenskaper som tryckhållfasthet och draghållfasthet.

Det här kan hjälpa bergsprängaren att optimera laddningarna för att få ett bättre resultat, men informationen kan också användas av ingenjörer för att avgränsa olika sorters berg och malm. I framtiden kan dessa borrar till och med innehålla provtagningssystem för att automatiskt rapportera halten av berg/malm som borras.

Även om det är möjligt att i framtiden göra borrhål med en ännu större diameter, så måste dock frågan ställas: Behöver vi verkligen hål med en ännu större diameter? Ett 17-tums borrhål skulle behöva en bänkhöjd på minst 125 fot för att effektivt bryta sten. Den lägsta kostnaden och bästa prestanda för en sprängning med ett 17-tums hål skulle kräva en bänkhöjd på 165 fot.

Mycket få gruvor i världen idag skulle realistiskt sett kunna se en fördel av hål med en ännu större diameter. Majoriteten av gruvorna fungerar mycket bra som det är redan med mindre hål än vad som är praktiskt möjligt att borra redan idag.

Även om större diametrar på borrhålen är tekniskt möjliga, så är det inte något som skulle vara direkt fördelaktigt. Dessutom, eftersom fler gruvor går under jorden och använder borrhål med en mindre diameter, så skulle detta sannolikt inte vara en marknad som skulle vara direkt lönsam.

Framtida uppgraderingar när det gäller borrning kommer att handla om effektiviteten. För närvarande så ökar marknaden snabbt när det gäller effektiviteten av själva borrkronan.

Kombinera detta med en mer robust utrustning för att minska de totala borrkostnaderna, så kommer man att se att konkurrensen för framtidens borrutrustning säkerligen centreras kring ägandekostnad, tillförlitlighet och effektivitet.

I framtiden kommer borrning sannolikt att övergå till att vara elektrisk och driven av stora batterier, men detta ligger kanske en 15 till 30 år in i framtiden för en utbredd implementering i branschen, med den nuvarande framstegstakten för batteriteknik.

Till sist så bör dessa frågor ställas: Finns det bättre borrmetoder? Kommer vi att fortsätta använda slag- och roterande borrtekniker under en överskådlig framtid? För att förstå detta så måste det förflutna återigen utforskas.

System som jet-pierce, som använde en termisk fragmentering för att bryta sten i de hårda bergarterna, var extremt dyra att använda och byttes snabbt ut när volframkarbidbits kom ut på marknaden. Systemet för laserborrning är ineffektivt på grund av det stora kraftbehovet och flödeskraven, och kommer sannolikt inte att bli en viktig borrmetod på marknaden.

Att använda sprängämnen för att borra har också prövats framgångsrikt, men detta möter problem med effektivitet och tillämpning. Medan många andra borrtekniker har studerats, är det svårt att slå tillförlitligheten, användarvänligheten och de praktiska egenskaperna hos slag- eller rotationsborrning.

Kanske kommer vi inom en avlägsen framtid se att helt andra teknologier – som termisk fragmentering  – kommer att utvecklas för att förändra borrningen. För nu verkar detta ligga långt borta. Hur som helst är det mycket kostsamt och det räcker knappast med ett litet sms lån för att finansiera sprängning eller borrning. Inte ens om man har bäst kreditkort i världen så räcker det utan det krävs stora investeringar. Men om du behöver ett kreditkort så jämför kreditkort först.

För att avsluta berättelsen

Efter nästan 400 år av bergsborrning så har historien sett betydande förbättringar av praxis och utförande för att borra hål i berg och att ge plats för massbrott.

Denna historia är en som aldrig kan fångas helt i en kort artikel, men man kan tydligt se att branschen har förändrats helt sedan den första sprängningen 1627.

Historien om borrning började med män som arbetade hårt under sina liv när de mejslade hål i sten. Och det slutar idag med maskiner som rör sig och borrar helt på egen hand utan att så mycket som en person sitter ovanpå.

Branschen är inställd på att uppleva stora framsteg under de kommande 20 åren, och omdefiniera hur borrning ser ut. Det har format för stora nya innovationer under de kommande 400 åren, och när framtida gruvarbetare kommer att blicka tillbaka så kommer de att bli förvånade över de ”föråldrande” sätten vi använder för att borra idag.

Sprängning genom tiderna

Explosiva framsteg genom tiderna

Från grekisk eld till förpackade emulsioner, så har sprängämnen förvandlats dramatiskt under de senaste två årtusenden fram till de sofistikerade lösningar som finns tillgängliga idag.

Hundratals män började ro, förflyttade sig närmare sin fiende och gjorde sig redo att avfyra sitt nya vapen: grekisk eld.

Varje roddtag förde dem närmare att öppna luckan och avfyra den brinnande vätskan mot fiendens skepp. Till slut kom de inom räckhåll och öppnade en serie långa bronsrör som höll tillbaka massor av grekisk eld och skickade den flammande vätskan för att täcka den motsatta båten.

Kontrollerade sprängämnen

År 678 e.Kr. började en ny tid i historien: en med kontrollerade sprängämnen.

Brinnande vätskor hade använts i krigföring sedan före 400 f.Kr. Idag tror vi att detta är petroleumprodukter som dumpades i vattnet och antändes för att antingen förstöra fartyg eller förhindra deras rörelse.

Ändå är grekisk eld, som utvecklades 678, krediterad som en av de första högexplosiva ämnena som använts av människan. Med sprängämnens framgång och kraft började mänskligheten i stor utsträckning att studera sprängämnen som kunde användas i krigföring och i det dagliga livet. Framstegen började ursprungligen med grekisk eld, vilket ledde till utvecklingen av spridningsstrategier, tillsammans med minor och granater.

Omkring 900 e.Kr. började det komma rapporter om att krut i Kina för medicinskt bruk hade börjat utvecklas. På 1200-talet spred sig det nya sprängämnet över hela Europa och Asien för att användas i krigföring.

Den faktiska utvecklingen, formuleringarna och historien diskuteras fortfarande idag. Svartkrut är ett deflagrerande sprängämne, vilket betyder att det brinner snabbt men detonerar inte och det producerar inte en stötvåg. Det är troligt att grekisk eld också var ett deflagrerande sprängämne, även om recepten inte är kända idag.

Detonerande sprängämnen

Det första detonerande sprängämnet utvecklades inte förrän 1608, mer än 2 000 år efter de första rapporterna om brandvapen i sjöstrider.

Namnet på detta sprängämne har dock förlorats i historien, men det rapporterades vara extremt kraftfullt och detonerade sannolikt verkligen baserat på observationsrapportering.

År 1659 producerades den första ammoniumnitratföreningen. Detta är huvudingrediensen i kommersiella sprängämnen idag.

Fulminerande silver, som har använts genom åren och fortfarande finns kvar idag i vissa ballistik- och initieringssystem, uppfanns 1786. På den tiden användes dock dessa sprängämnen inte i någon större omfattning då de ansågs vara alltför instabila och känsliga för att kunna användas på ett praktiskt sätt .

Sedan kom en av de största uppfinningarna inom kommersiella sprängämnen – från ett kanske lite oväntat håll. Ascanio Sobrero, en italiensk kemist, ville utveckla ett nytt läkemedel som botemedel mot angina. Den nya medicinen skulle vidga blodkärlen för att hjälpa till att sänka blodtrycket.

När Sobrero experimenterade med olika föreningar så uppfann han nitroglycerin, vilket i tester visade sig vara extremt effektivt vid behandling av angina. Han började tillverka det i stora mängder, och en morgon, när han kom in i sitt laboratorium, så fann han hela platsen helt förstörd – inifrån.

Sobrero hade ingen aning om vad som hade hänt. Han började dock göra mer nitroglycerin efter ombyggnaden, men en flaska som stod på en hylla detonerade sen helt slumpmässigt en dag, vilket orsakade en förödande skada och det var en skrämmande upplevelse för Sobrero. Han var en religiös man som efter det hävdade att nitroglycerin var djävulens verk och att djävulen kunde få det att detonera precis när som helst. Han tillbringade sen resten av sitt liv med att varna andra från att tillverka den nya medicinen.

En av Sobreros elever lyssnade dock inte på honom, och istället för att se till att det inte producerades mer så bestämde han sig för att ta nitroglycerinet till sin fars byggföretag för att experimentera med det vid sprängning. För att åstadkomma detta så användes flytande nitroglycerin i glasflaskor som sänktes ner i ett borrhål och där detonerades de sedan med hjälp av svartkrut.

Tillvägagångssättet var extremt effektivt, och Immanuel Nobel, som var Alfred Nobels far, började använda nitroglycerin regelbundet. Så småningom förlorade Alfred sin bror som var kemist i en stor fabriksexplosion, och han började efter det att experimentera för att utveckla en säkrare version av nitroglycerin.

En dag, efter att ha spillt nitroglycerin på sitt golv, så använde han lite kiselgur för att suga upp det. Han testade så småningom denna produkt och fann att den var säker och tillförlitligt kunde avfyras. Alfred fortsatte med att tillverka det första säkra, högexplosiva ämnet för den kommersiella sprängämnesindustrin: dynamit.

Moderna sprängämnen

Dynamit var en av de största uppfinningarna för explosivindustrin och ledde till snabba framsteg inom kommersiell sprängning.

Efter nästan ett sekel så ersattes dynamit av sprängämnen som var ännu säkrare och billigare – ammoniumnitratbaserade sprängämnen. Det började först under 1950-talet, med Melvin Cooks experiment, som ville tillsätta vatten till sprängämnen för att skapa en pumpbar explosiv produkt.

Ursprungligen blev Cook utskrattad och stämplad som en teoretiker av industrin eftersom vatten vanligtvis oskadliggjorde sprängämnen.

Cook mixade sprängämnen med vatten och blandade sen i finkrossad TNT och ett gummimedel för att härda produkten. Vid testning så inte bara avfyrades produkten, utan den var dessutom extremt kraftfull och pumpbar. Detta var det första sprängämnet med en vattengel som skapades. Efter sin uppfinning, så fortsatte Cook med att grunda Ireco Powder Co.

Vattengeler omvandlades senare genom att först lägga till ammoniumnitrat och sedan ersätta TNT med ett flytande sprängämne: momometylaminnitrat. På 1970-talet så påbörjades forskning för att ta bort det högexplosiva ämnet från vattengeler och så småningom tillverkades emulsioner, vilka har tagit över marknaden för flytande sprängämnen.

Ungefär vid samma tid så arbetade Bob Akre på Cleveland-Cliffs Collieries i Indiana där han bestämde sig för att experimentera med att utveckla en helt ny typ av sprängämne.

Akre hade sett stora katastrofer som fartygsexplosionen i Texas City, som orsakades av ammoniumnitrat. Han visste att ammoniumnitrat användes i andra explosiva produkter som vissa dynamiter, och han ville se om han kunde utveckla ett sprängämne från ammoniumnitratgödning.

Akre bestämde sig för att han skulle experimentera precis utanför sitt kontor, och han tog dit en cementblandare. Han försökte blanda ammoniumnitratgödning i pelletsform med olika ämnen och ta dem till sin kolgrop, ladda de nya blandningarna i hål med 9-tums diameter och bränna av hålen som en del av sin normala test av sprängämnen.

Akre gjorde många snabba framgångar, men den praktiska tillämpningen av de nya produkterna blev den stora utmaningen. Till exempel, i ett test så kombinerade han ammoniumnitrat med melass. Produkten exploderade bra, men efter sprängningen kunde han inte komma på hur han skulle hantera den massiva bisvärmen som efteråt kom till gropen på grund av den söta melassen som omgav hans grop. Senare började Akre lägga till ett fint kol till blandningen, något som var en restprodukt på den tiden. Detta fungerade extremt bra i sprängningen.

Så småningom började andra gruvor begära att Akre skulle sälja de nya produkterna till dem. Det uppstod snabbt ett problem med segregeringen av ammoniumnitrat och kol. Detta ledde till att vaxer och/eller olja tillsattes som bränsle för den produkt som nu kallas ANFO, som är den mest använda produkten i världen.

Slutsats: sprängämnen

Idag har stora framsteg gjorts inom tillverkningen av kommersiella sprängämnen. Emulsioner har nu bättre emulgeringsmedel som ökar hållbarheten och minskar kristallisation och energiförlust. Nya ammoniumnitratpellets uppfanns som kallas ”ammoniumnitrat av teknisk kvalitet” vilket ökar energin hos ANFO-produkter och deras förmåga att hålla olja.

Dessutom så gjordes experiment för att möjliggöra en bättre sensibilisering, en bättre kontroll och kraftfullare produkter. Nya tillverkningsmetoder ger också ett mindre avfall vilket minskar produktionskostnaderna.

Även om vi kan se tillbaka genom historien och se de framsteg som gjorts inom teknologin för kommersiella sprängämnen, så är framtiden också full av spännande nya produkter. Idag experimenteras det till exempel med ”gröna” energimaterial och nanoexplosiver för att utveckla kraftfullare, renare sprängämnen för gruvor.

Framtiden är öppen i berättelsen om sprängämnen, och det kommer att vara upp till dagens och morgondagens ingenjörer att ta upp facklan och bära den vidare för att skriva nästa kapitel i historien.

Sprängning genom tiderna:

Evolutionen inom initieringssystem

Tidigare i den här artikeln så undersökte vi hur borrhål utvecklades från tidigt 1600-tal fram till modern tid och hur människan skapade och återuppfann sprängämnen genom historien.

Dessa stora bedrifter skulle dock vara helt meningslösa utan en säker, pålitlig metod för att detonera sprängämnena som bryter sten. I den här delen så kommer vi kort att gå igenom historien och observera hur gruvarbetare tidigare initierade sprängningar, såväl som hur initieringssystemen blev säkrare och mer tillförlitliga.

En tillbakablick

Metoderna som användes för att spränga med svartkrut på 1600-talet är inte så välkända, och få dokument från den tiden tar upp hur explosiva ämnen initierades.

Ändå berättade de som skrev om sprängningar på 1800-talet om den ”gamla metoden” att initiera sprängningar. Den gamla metoden innebar att fylla antingen halmstrå eller en fjäderpenna med svartkrut för att förbereda initieringssystemet. Huvudladdningen av svartkrut laddades sedan i borrhålet och en ”pricker” – en lång, smal stav (i regel av metall) – fördes in i sprängladdningen.

Toppen av borrhålet fylldes sedan med lera som pressades eller stampades till ordentligt. Efter att hela hålet fyllts, så skulle prickern försiktigt tas bort. Det lämnade då ett hål genom stampningszonen. Halminitiatorn skulle sedan föras in genom hålet tills den kom i kontakt med huvudladdningen, med ett rör i varje borrhål. Sprängaren skulle sedan tända rören och ta skydd i tid innan laddningen detonerade.

Det är inte svårt att inse hur farlig denna process kunde vara och hur till och med ett ögonblick av tvekan när man tänder på en laddning skulle kunna leda till att antingen flera laddningar inte tänds eller att sprängaren fortfarande var kvar i området när de första laddningarna detonerade. En av de verkligt uppfinningsrika delarna av det här systemet var att sprängare visste ungefär hur lång tid det skulle ta för svartkrutet att brinna i de olika konfigurationerna, så de kunde grovt tillämpa lite tajming mellan rader av laddningar med detta system.

Hela detta system förändrades när William Bickford uppfann stubintråden 1831. Den var inte bara säkrare, utan också betydligt enklare att använda och gav sprängaren mer flexibilitet när det gäller att tajma in sprängningen.

Stubintråden skulle vara i direkt kontakt med svartkrutet och få det att antändas. Stubintråden var tillverkad med förinställda brinnhastigheter, vilket möjliggör en beräkning av brinntiden baserat på längden av den.

För att avfyra en sprängladdning skulle sprängaren se till att en stubintråd hängde ut från laddningarna i varje borrhål. De skulle sedan knyta ihop trådarna och på så sätt tända flera grupper av stubintrådar åt gången.

Redan 1833 producerade borr- och sprängningsföretag PM som diskuterade stubintråden och dess praktiska användning i företaget, fördelarna tillsammans med den drastiska minskningen av felbränder och sprängningsskador och dödsfall. Även om detta var en helt ny uppfinning, så förlitade den sig på tekniken av den tidigare äldre metoden att fylla ett rör med pulver som brann in i huvudladdningen, vilket fick huvudladdningen att fatta eld.

Dynamit skulle dock inte detonera på ett tillförlitligt sätt med bara en stubintråd som brinner in i den. Därför, efter att dynamiten introducerats, så krävdes ett helt nytt initieringssystem för att tillförlitligt detonera laddningen.

Viktiga utvecklingar inom detonering

Behovet ledde i sin tur Alfred Nobel till uppfinningen av spränghatten 1863. Denna detonator använde en liten laddning av kvicksilverfulminat i en metallbehållare, som skulle placeras i dynamiten. Locket användes sedan för att hålla stubintråden, som krymptes eller pressades på, i olika längder som sprängare använde för att ge den rätt tajming. Systemet producerade ett säkert och pålitligt sätt att detonera dynamit, och spränghatten tog snabbt över industrin.

Benjamin Franklin uppfann den första elektriska spränghatten 1750. Han förlitade sig på två ledningar som var i kontakt med en liten laddning av svartkrut. När elektricitet skickades genom ledningarna skulle de få svartkrutet att brinna. Detta var inte bara den första registrerade användningen av elektricitet för att få ett svartkrut att avfyras, utan också den första rudimentära spränghatten.

Världen såg att sprängämnen kunde detoneras med elektricitet, men den hade inte medel att applicera detta i fält. Det vill säga åtminstone fram till senare delen av 1800-talet, då elektriska detonatormaskiner började tillverkas.

Många uppfinnare från hela världen gjorde anspråk på äran för uppfinningen av elektriska detonatormaskiner, men det första patentet som är allmänt känt är Henry Julius Smiths – med den elektriska spränghatten 1868, såväl som den elektriska detonatormaskinen 1878.

Denna metod för en elektrisk avfyring fortsatte att utvecklas och innebar stora förbättringar i tillförlitlighet, säkerhet och tajmingmetoder genom åren. Det var den dominerande formen av initiering runt om i världen långt in på 1970-talet.

På 1960-talet började Per Anders Person och hans grupp undersöka en ny initieringsmetod: det icke-elektriska systemet. Detta var i sig annorlunda än det elektriska systemet, med ihåliga rör som var fyllda med små mängder HMX och aluminium – vanligtvis med en laddning på en tiondel av ett grain (64.79891 milligram) per fot.

Denna metod skulle tillåta en liten dammexplosion att färdas genom röret och antända sprängkåpans fördröjningselement. Detta system är det mest använda i världen idag och kallas vanligtvis ”nonel”.

Efter utvecklingen av nonel-rör, så utfördes under 1980-talet en enorm mängd forskning och arbete på elektroniska tändhattar, som använder ett datorchip och vanligtvis ett kondensatorsystem för att detonera sprängladdningar. Detta gör det möjligt för en dator att kommunicera med kåpan för att säkerställa att tråden inte skadas, vilket minskar spridningen av locket i samband med pyrotekniska förseningar och ökar flexibiliteten i sprängningstiden.

Betydande framsteg av systemen skedde av både elektrisk och icke-elektrisk initiering av den elektroniska tändhatten, som lett fram till systemen som används över hela världen idag.

Med blicken mot framtiden

Framtiden för explosiv initiering kommer att fyllas med spännande innovationer när ingenjörer och vetenskapsmän börjar låsa upp nya nivåer av noggrannhet och flexibilitet av tändhattar.

I takt med att innovationer sker och nya produkter utvecklas, så kommer dyra initieringssystem att bli betydligt billigare att tillverka vilket kommer att avspeglas i prissättningen. Detta kommer att leda till en utbredd användning av det elektroniska initieringssystemet.

Idag experimenterar grupper med trådlösa initieringssystem som använder signaler som skickas genom bergmassan för att initiera sprängladdningar i stora områden och hålla de som arbetar med sprängningar säkra. Inom en avlägsen framtid kommer innovationer inom initieringssystem att gå vidare till fullständigt trådlös initiering för att möjliggöra en autonom borrning och laddning av borrhål – med sprängare som styr borr- och lastflottor från kontorsutrymmen.

Detta kommer att förbättra effektiviteten och kostnaderna för gruvbrytning, möjliggöra en brytning av malmkroppar som för närvarande inte är tillgängliga för människor och rent generellt öka säkerheten inom verksamheten.

Innovationer av initieringssystem kommer sannolikt att vara det viktigaste steget för framtida autonom sprängning. Utan trådlösa initieringssystem som är lätta att använda, så skulle robotladdningssystem vara extremt komplexa.

Med dessa innovationer och ett slutat användande av nonel- eller elektroniska initieringar, kunde förenklade maskiner ladda och förbereda borrhålen för sprängningar utan att någon sprängare behöver vara på bänken.

Sprängning: Historien om att bryta sten

I den här sista delen så avslutar vi historien om sprängning med att ställa några nyckelfrågor:

• Hur ser framtiden ut för den här industrin?
• Vilka är nästa steg i den fortsatta utvecklingen.
• Vilka kommer att vara de som tar upp facklan och för oss framåt?

Hittills så har vi tittat på historien och framtiden för borrning, sprängämnen och initieringssystem – och det finns mycket att vara exalterad över när det gäller det.

Ny borrteknik kommer att bana väg för en automatisk styrning av flottan, och operatörslösa borrningar kommer att finnas på de flesta platser runt om i världen. Framtidens sprängämnen kommer att vara kraftfulla och miljövänliga, vilket gör att vi kan bryta mer sten med mindre skadliga ångor. Och framtidens initieringssystem kommer att vara trådlösa och möjliggöra en fjärrladdning av borrhål, vilket förbättrar säkerheten och sprängningseffektiviteten.

Nu ska vi återigen gå in i genombrottet för att prata om sprängdesign: Hur långt har vi kommit och vad kommer att ske härnäst?

Den antika eran

Återigen så kommer vi att blicka tillbaks till den dagen 1627 då den första explosionen detonerades. Men vi kan dock inte söka svaren i de gamla texterna om sprängning, eftersom designmetoden aldrig avslöjades eller publicerades.

Det finns inga dokumenterade sprängrapporter som kan hjälpa oss att återskapa sprängningsmetoderna och den färdiga konstruktionen. I den här historien är vår hjälte inte sprängdesignern, utan den ungerska gruvtribunalen.

Vid den så tiden tävlade Ungern om investeringar för att kunna fortsätta vara ledande i Europa som den främsta gruvekonomin, och tribunalen fick i uppdrag att se till att gruvorna fungerade korrekt och säkert.

Efter att ha bevittnat sprängningen så visste tribunalen att andra gruvor i området skulle behöva använda denna sprängningsteknik för att Ungern skulle ta ledningen när det gällde gruvdriften i Europa. Tidiga uppgifter tyder på att den ungerska gruvtribunalen utvecklade puderfaktorn – det första sprängkonstruktionssystemet – som vid den tiden noterades för att vara ett grovt, grovt sätt att uppskatta hur många pund sprängämne som behövdes för att bryta ett visst tonnage (eller volym) av sten.

Powder factor ”Puderfaktorn” är ett förhållande mellan hur mycket sten som bryts och hur mycket sprängämne som använts för att bryta det.

Detta är en viktig punkt att förstå. Pulverfaktorn var en av de första teknikerna för sprängdesign. På den tiden ansågs det inte vara en bra designmetod, utan en som kunde få igång sprängning vid ett projekt.

Sprängarna och ingenjörerna tog senare över och modifierade pulverfaktorn för att den skulle fungera bättre när de samlade in data. Detta var den enda designmetoden fram till 1870-talet, då sprängvärlden förändrades med den utbredda användningen av dynamit.

Med dynamitens intåg så fungerade inte längre de gamla metoderna för pulverfaktor. De tidiga sprängdesignernas teorier från tidigt 1800-tal började sedan få fäste. Dessa teorier modifierades för att vara tillämpliga med dynamit, vilket gav ett någotsånär korrekt resultat för att starta ett projekt som förlitade sig på fältmodifieringar för att sedan optimeras.

I mitten på 1890-talet utvecklades den första fullskaliga teorin om sprängkonstruktion som kallades skjuvteori. Denna nya teori arbetade från stenbrottsprinciper till designsprängningar och blev den framstående sprängkonstruktionen i början av 1900-talet. Skjuvteorin, även om den nu anses vara fel i många fall, var en av de tidiga teorierna om hur en bänk ”bench” gick sönder och utformade ”motståndslinjen”, som idag kallas bördan.

Äldre spränghistoria slutar med den världsomspännande scenen med sprängämnen, fallet för pulverfaktorn och utvecklingen av skjuvningsteorin.

Militariseringens tidsålder

Sprängningens nästa tidsålder påverkades till en början främst med användningen av sprängämnen inom militären.

Historien om kommersiell sprängning och militär användning av sprängämnen är sammanflätad på grund av världskrigen. Vid den här tiden så arbetade många ingenjörer inom området med militära organisationer över hela världen. Även om akademiker inte direkt överfördes till militären, så överfördes nästan allt deras arbete till en militär tillämpning av sprängämnen eftersom den stora forskningsfinansieringen var till för vapen snarare än för gruvdrift.

Det är avgörande att förstå att professorerna vid dåtidens universitet – och i många fall än idag – var tvungna att forska inom det som finansierades. Den stora militära finansieringen ledde till många nya upptäckter, särskilt inom chockvågsfysiken.

Efter upptäckten av atombomben så övergick nästan all forskning inom sprängämnen till chockvågor. Detta ledde till att C.W. Livingston började arbeta med chockvågor vid bergsprängning. Även om hans arbete inte direkt visade effekterna av chockvågor fullt ut, så ledde det till att andra forskare började undersöka området ytterligare.

Andra forskare tittade på chockvågor enligt liknande metoder som Livingston. Dessa forskare inkluderade alla i sitt arbete att chockvågor, som högst, bara kunde stå för upp till 50 procent av fragmenteringen av berget – en punkt som då ofta missades i utbildning och kortare vetenskapliga artiklar.

Ändå, medan studierna fortsatte, så upptäcktes stora fel i metodiken.

Dessa inkluderar punkter som:

• Stötvågen bildas inte riktigt från kommersiella sprängämnen.
• Bänken går inte sönder när stötvågen slår, utan mer än 10 gånger efter att stötvågen är borta.
• Chockvågsteorierna kan aldrig utformas praktiskt, på någon nivå som helst.
• Packade sprängämnen producerar ingen stötvåg i berget.
• En pulverfaktor på mer än 8 pund per kubik skulle behövas för att se några tecken på stötvågsbrott.

Chockvågsteorin var bra för militären, men den gäller inte vid bergsprängning. Stötvågor ledde till många fantastiska teorier om sprängkonstruktion, av vilka ingen någonsin kunde tillämpas praktiskt och därför återuppstod pulverfaktorn.

Detta berodde inte på att pulverfaktorn var ett bra designverktyg. Faktum är att forskare ofta diskuterade att det var ett extremt dåligt designverktyg, men de vände sig till pulverfaktorn eftersom det fungerade för att få igång ett projekt – precis som i början av den ungerska gruvtribunalen.

Modern sprängdesign

Med förlusten av bra, praktiska designtekniker så blev pulverfaktorn snabbt föregångare inom sprängning, med några modifieringar för att ta hänsyn till en korrekt börda från skjuvteorin.

För att rätta till bristen på praktiska designmetoder, bestämde sig Richard Ash för att tillhandahålla en ny designmetod. Ashs tillvägagångssätt började med skjuvningsteorin och de ändringar som tidigare författare gjort genom åren för att ta hänsyn till oberoende variabler.

Ash undersökte nästan 100 gruvdrifter, sprängningsprogram och de olika designvariablerna de var och en använde. Han hittade medelvärden för varje borrhålsstorlek och fastställde att man kunde multiplicera borrhålsdiametrarna, genom ett antal diametrar, med en konstant för att beräkna belastningen, stampen och underborrningen. Detta blev grunden för oberoende variabeldesign.

Efter några års forskning så fick Ash en ny elev, Calvin Konya, på Missouri School of Mines. Tillsammans arbetade de med sprängkonstruktion och förståelsen av hur sprängningar bröt sten genom gastryck.

Arbetet ledde till att Konya hittade principen om styvhetsförhållande och hur det påverkade avståndet mellan sprängningar. Arbetet förvandlade sprängdesign från puderfaktorn till ett verkligt oberoende system som sprängare och ingenjörer enkelt kunde tillämpa.

Under åren så fortsatte Konya med att upptäcka nya relationer av laddning, avstånd och tajming, och utvecklade hela teorin om ”Independent Konya Variable Design”. Detta gav bergsprängare möjligheten att överväga sprängämnet, bänkgeometrin, bergarten, bergstrukturen och produkten som var tillgänglig för att fullt ut designa en sprängning som skulle fungera väl. Mindre modifieringar kan sedan göras för att optimera den.

Sprängbranschen framtid

Idag har sprängbranschen en bra sprängkonstruktionsmetod inom ”Independent Variable Design”, och den fungerar för att sätta upp en bra sprängning och sedan för att  göra modifieringar för att optimera efter en platsspecifik basis.

Utmaningen blir ofta: Vad är det bästa en gruvdrift kan förvänta sig att få ut? Det finns gruvdrifter som tror att de har uppnått bästa möjliga sprängning, men de kan nå mycket längre med dramatiska förbättringar.

Av denna anledning är den senaste forskningsutvecklingen som ”Precision Blasting Services” har genomfört den av ”Multivariate Blast Design”. Denna nya designmetod gör att man inte bara tar hänsyn till den optimala bördan av sprängningen, utan kartlägger istället relationerna mellan dessa variabler, vilket gör det möjligt att utveckla ett verkligt optimalt tillvägagångssätt. Metoder som sprängkonstruktion ”N-Factor” ger den experimentella forskning som krävs för att gå in i processen.

Så hur fungerar denna designmetod? Till att börja med så har gruvan antingen en sprängningsprocess som redan används, eller så ställs en ”Independent Variable Design” in. Vissa mål sätts i en speciell ordning för att säkerställa inte bara ett bra resultat, utan också en tillförlitlighet i systemet för att ge konsekventa resultat. Variablerna kartläggs och testas sedan, med flera testsektioner inom en enda sprängning.

Denna data samlas in med de nya systemen som finns tillgängliga idag, och relationerna tilldelas. Den nya sprängningen designas sedan och data samlas in för att optimera processen. En mindre gruvdrift kan gå igenom denna process på några dagar, och för större så tar det vanligtvis två till tre veckor.

Resultaten hittills har varit häpnadsväckande – till exempel en 10-faldig förbättring av fragmenteringen; inte 10 procent, utan 10 gånger bättre fragmentering överlag. Ett annat projekt gick från att ha flygsten, som vanligtvis färdades 1 000 till 3 000 fot, till att inte ha någon flygsten alls och de kan därför nu spränga bredvid en känslig struktur.

Medan sprängdesignen fortfarande förbättras med varje ny fallstudie, så är resultaten lovande och verkar vara framtidens designmetod.

I takt med att vi ökar data och metoder kommer sprängningens framtid att inkludera en artificiell intelligens (AI-program) för att övervaka stora mängder av data som tas emot från borrningar, sprängämnen, initieringssystem, drönare, kameror, LIDAR/fotogrammetri och framtidens instrumentering. Det kommer att leda till ett system med datorer som samlar in och analyserar data, och troligen designar sprängningarna med hjälp av multivariabla designprinciper.

Borr- och sprängladdningssystemet kommer sedan att göra sprängningen klar och klara och skanna av området för att säkerställa att ingen är närvarande. Genom att använda AI-program med djupinlärningsteknik så kommer varje ny sprängning att samla in kritisk data för att förfina och förbättra nästa – vilket leder till en verklig optimering av sprängningar.

Framtiden för sprängning är skrämmande vacker, med fantastiska innovationer som kommer från sprängare, ingenjörer och chefer som vill leda verksamheten in i en ny tid. De tänjer alltid på gränserna och nöjer sig aldrig med ”tillräckligt bra”.

Summering

Genom tiderna revolutionerade stora sprängare och ingenjörer sprängning till den vetenskap och konst vi använder idag. Denna artikel beskriver de historiska metoderna för borrning, laddning och sprängning, samt tar läsaren genom historien där vi tar upp stora utvecklingar genom historien.

”Min dynamit kommer tidigare att leda till fred än tusen världskonventioner. Så snart människor kommer att upptäcka att hela arméer i ett ögonblick kan bli fullständigt förstörda, kommer de säkerligen att följa den gyllene freden.”
— Alfred Nobel