СИСТЕМА ИНИЦИИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЕННЫХ ВЗРЫВАЕМЫХ ЗАРЯДОВ И СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С ВЗРЫВАЕМЫМ ЗАРЯДОМ Российский патент 1997 года по МПК F42D1/04 

Изобретение относится к области горного дела, в частности представляет собой систему инициирования пространственно-разнесенных взрываемых зарядов при взрывных работах, как на дневной поверхности, так и при проходке тоннелей, шахт, а также при взрывных работах в глубоких скважинах.

Известна система электровзрывания зарядов и способ соединения взрывной линии, когда реакция горения или взрывчатого превращения зарядов производится тепловой энергией, получаемой при прохождении электрического тока по мостику накаливания, который контактирует с инициирующим зарядом электродетонаторов (Фридлендер Л. Я. Справочник по пространственно-взрывной аппаратуре. М. Недра, 1983).

Основным недостатком электрических взрывных устройств является возможность несанкционированного взрыва, приводящего к несчастным случаям и авариям, вследствие воздействия какого-либо высокочастотного сигнала, статического электричества и токов наводки. Для повышения уровня электрозащищенности используют электростатическую защиту, а также величины безопасности тока. Однако электростатическая защита эффективна лишь в определенных пределах, а увеличение безопасного тока ограничено возможностью источников питания, так как с увеличением безопасного тока возрастает и величина тока возбуждения реакции.

Другими недостатками электровзрывания, приводящими к удорожанию стоимости проведения работы являются: необходимость применения контрольно-измерительной аппаратуры и обслуживающего персонала, следящего за ее состоянием; монтаж ведется в специальной одежде, не дающей искрений (т.е. разрядов статического электричества); измерение сопротивления или проверку токопроводимости электровзрывательной сети выполняют с безопасного расстояния и после удаления людей в безопасное место; монтаж взрывной сети ведут в такой последовательности, чтобы электровзрывная сеть была постоянно замкнута. При монтаже взрывной сети специальные зажимы должны создавать надежный контакт между проводниками, предохранять от искрения при прохождении тока в сети и изолировать взрывную сеть от блуждающих токов. Невозможность ведения работ при повышенных ионизации воздуха и влажности (вблизи линии электропередачи). В случае подрыва в глубоких скважинах воздействие взрыва приводит к повреждению кабеля, его обрыву, а несанкционированное срабатывание к потере скважины или ее продолжительному ремонту.

Опускание аппаратов на большую глубину приводит к значительному трению спускаемых аппаратов о стенки обсадной колонны, и в случае применения бескорпусных перфораторов приводит к повреждению, обрыву или сходу ДШ с седловин зарядов, что приводит к отказу или неполному срабатыванию.

Известна система для детонирования пространственно-разнесенных взрываемых зарядов, которая включает лазер, заряды, оптическое волокно в качестве светового тракта, которое выполнено связывающим заряды с выходом лазера для передачи оптической энергии от выхода лазера вдоль продольной оси оптического волокна для детонации подрываемых зарядов посредством передаваемой оптической энергии (патент США N 3812783, кл. F 42 C 13/02, F 42 D 1/04, 1974). Из патента N 3812783 известен также способ соединения оптического волокна с взрываемым зарядом, для приведенного выше способа детонирования, включающий наполнение взрывчатым веществом части трубчатого корпуса, введение в свободную часть трубчатого корпуса оптического волокна, закрепление его в трубчатом корпусе. Известный способ и систему детонирования по патенту США N 3812783 можно принять в качестве наиболее близкого аналога по отношению к предлагаемому изобретению.

Основным недостатком известного решения по патенту США N 3812783 является невозможность проведения контроля целостности светового тракта, так как торец световода вторым концом от источника излучения вставляется вплотную к взрывчатому составу детонатора, а так же большое количество световедущих жил и оптический распределитель.

Задачей, на решение которой направлены предлагаемая система и способ, является обеспечение повышения надежности и обеспечение безопасности проведения взрывных работ.

Поставленная задача достигается тем, что в системе инициирования пространственно-разнесенных взрываемых зарядов, содержащей лазер, заряды, оптическое волокно, которое выполнено связывающим заряды с выходом лазера, заряды установлены с возможностью их детонации посредством передаваемой оптической энергии от выхода лазера вдоль продольной оси оптического волокна, при этом оптическое волокно выполнено с зигзагами, имеет на поверхности кольцевые канавки или лунки, расположенные последовательно по длине оптического волокна, при этом каждый из зарядов связан с вершиной зигзага оптического волокна, поверхностью кольцевой канавки или лунки с возможностью их детонации посредством отвода части оптической энергии и передачи остальной части оптической энергии к зарядам, расположенным вдоль оптического волокна.

Задача также достигается тем, что продольная ось оптического волокна в месте зигзага или лунки расположена под углом 30-90^o а ортогонально на вершине зигзага на оптическом волокне выполнена плоская площадка, причем отношение площади S₁ плоской площадки к площади S₂ поперечного сечения световедущей и жилы оптического волокна выбрано из условия:
0,4 < S₁/S₂ < 1
Задача также обеспечивается тем, что вершина зигзага или лунки оптического волокна своим торцем связана с зарядом, при этом концы оптического волокна могут быть выполнены свободными. Задача также обеспечивается тем, что система имеет устройство для контроля оптической энергии, связанное с концом оптического волокна, это устройство выполнено в виде экрана расположенного со стороны одного из концов оптического волокна.

Задача также обеспечивается тем, что система снабжена пусковым устройством, включающим датчик давления, таймер времени, связанный через воспламенитель с лазером с возможностью запуска последнего при определенной величине давления, при этом заряды установлены с возможностью их детонации посредством передаваемой оптической энергии от выхода лазера вдоль продольной оси оптического волокна, которое выполнено с зигзагами, имеет на поверхности кольцевые канавки или лунки последовательно расположенные по длине оптического волокна, причем каждый из зарядов связан с вершиной зигзага оптического волокна, поверхностью кольцевой канавки или лунки с возможностью их детонации посредством отвода части оптической энергии и передачи остальной части оптической энергии к зарядам, расположенным вдоль оптического волокна, продольная ось оптического волокна в месте зигзага или лунки расположена под углом 30-90^o а ортогонально на вершине зигзага на оптическом волокне выполнена плоская площадка, причем отношение площади S₁ плоской площадки к площади S₂ диаметра световедущей жилы оптического волокна выбрано из условия:
0,4 < S₁/S₂ < 1,
причем конец оптического волокна своим торцом связан с зарядом или выполнен свободным.

Задача также обеспечивается тем, что лазер системы имеет пиротехнический состав для его накачки, а датчик давления выполнен механическим с перемещаемой от величины давления упругой мембраной, при этом воспламенитель выполнен в виде капсюля-воспламенителя, установленного с возможностью его воспламенения при перемещении мембраны и поджига пиротехнического состава лазера, а таймер выполнен механическим с возможностью его запуска при перемещении мембраны и с возможностью поджига воспламенительного капсюля, при этом упругая мембрана датчика давления выполнена с возможностью регулирования величины ее перемещения посредством упругого элемента, связанного с нею, кроме этого таймер может быть выполнен в виде часового механизма с возможностью регулирования временной задержки.

Поставленная задача обеспечивается также тем, что способ соединения оптического волокна с взрываемым зарядом, включающий наполнение взрывчатым веществом части трубчатого корпуса, введение в свободную часть трубчатого корпуса оптического волокна, закрепление его в трубчатом корпусе, характеризуется тем, что при введении оптимального волокна в корпус, на нем делают кольцевые канавки или лунки, или изгибают под углом 30-90^o, на вершине изгиба формируют плоскую площадку путем удаления части оптического волокна ортогонально биссектрисе угла изгиба на глубину 0,05 < h < 0,15 и вершину изгиба вводят в корпус, при этом биссектрису угла изгиба оптического волокна располагают соосно продольной оси трубчатого корпуса, а также тем, что дополнительно используют шайбу с центральным отверстием, в котором размещают изгиб, оптическое волокно закрепляют на шайбе затвердевающим веществом, а шайбу устанавливают на трубчатом корпусе, а также тем, что дополнительно используют шайбу, в которой выполняют два отверстия под углом 30-90^o к ее продольной оси и симметрично относительно продольной оси, оптическое волокно пропускают сквозь отверстия, а шайбу устанавливают на трубчатом корпусе, при этом оптическое волокно закрепляют на шайбе затвердевающим веществом, которое размещают на обеих поверхностях шайбы, а затем удаляют часть оптического волокна на глубину совместно с частью затвердевающего вещества.

Поставленная задача достигается тем, что шайбу устанавливают на трубчатом корпусе посредством разъемного соединения, а трубчатый корпус выполняют совместно с дном, и после заполнения трубчатого корпуса взрывчатым веществом его подсоединяют к шайбе, которую выполняют на трубчатом корпусе неразъемно, а после введения оптического волокна и заполнения трубчатого корпуса взрывчатым веществом, устанавливают на корпусе дно.

На фиг. 1 показана известная схема электрического подрыва; на фиг. 2 показана предлагаемая система подрыва; на фиг. 3 схематично изображена конструкция лазерного взрывчатого устройства; на фиг. 4 способы подвода энергии по световоду к зарядам.

Система для инициирования включает в себя пусковое взрывное устройство 1, трос или проволоку 2 (в известной схеме каротажный кабель 2, состоящий из бронированных снаружи электрических жил), инициатор 3, основной заряд 4, расположенный в скважине 5. Пусковое устройство 1 (в известной схеме это взрывная машинка) содержит датчик давления 6 и таймер времени 7, воспламенитель 8 и лазер 9. Датчик давления 6 содержит упругий элемент 10, тарированную мембрану 11. Таймер времени 7 представляет собой часовой механизм с пускателем 12 и бойком 13, расположенным соосно с капсюлем-воспламенителем 8. Лазер 9 состоит из шашки 14 и активированных волокон 15, охватывающих шашку 14.

Способ и устройство проведения прострелочно-взрывных работ осуществляется следующим образом. В скважину 5 опускают на тросе 2 основной заряд 4 с лазером 9, капсюлем-воспламенителем 8, часовым механизмом 7 и датчиком давления 6. При достижении заданной глубины скважины 5 давлением окружающей среды тарированная мембрана 11 надавливает на пускатель 12 таймера времени 7. Таймер времени 7 отсчитывает время, необходимое для проведения каких-либо работ и на точную установку зарядов 4, после чего боек 13 ударяет в накольный капсюль-воспламенитель 8, от которого задействуется пиротехнический состав шашки 14, световая энергия которой служит накачкой активированных волокон 15, из торцов которых выходит лазерное излучение и по оптическому волокну 16 подается заряду 4, который срабатывая, совершает работу.

Заряд 4 может быть выполнен в виде кумулятивной торпеды типа ГК-180, ГК-260, ТКО-120-1, взрывных пакеров, перфораторов и др.

Таким образом заряды в предлагаемой системе установлены с возможностью их детонации посредством передаваемой оптической энергии от выхода лазера 9 вдоль продольной оси оптического волокна 16, которое может быть выполнено с зигзагами или иметь на поверхности кольцевые канавки или лунки (фиг. 4), расположенные последовательно по длине оптического волокна 16, при этом каждый из зарядов 4 связан с вершиной зигзага, поверхностью канавки или лунки с возможностью детонации заряда посредством отвода части оптической энергии и передачи остальной части оптической энергии к зарядам, расположенным вдоль оптического волокна. Продольная ось оптического волокна 16 в месте зигзага или лунки располагается под углом 30-90^o, а ортогонально на вершине зигзага на оптическом волокне выполняют плоскую площадку, примыкающую к заряду 4, причем отношение площади S₁ плоской площадки к площади S₂ поперечного сечения световедущей жилы оптического волокна выбирается из условия:
0,4 < S₁/S₂ < 1.

В предлагаемую систему инициирования может быть введено устройство (не показано) для контроля оптической энергии, связанное с концом оптического волокна, причем упомянутое устройство может быть выполнено в виде экрана, расположенного со стороны одного из концов оптического волокна. Следует отметить, что конец оптического волокна 16 может быть свободным или связан своим торцом с зарядом.

В представленной на фиг. 3 конструкции лазерного взрывного устройства упругая мембрана 11 датчика давления 6 выполнена с возможностью регулирования величины ее перемещения посредством упругого элемента 10.

Способ соединения оптического волокна 16 с взрываемым зарядом 4 осуществляется следующим образом. Наполняют взрывчатым веществом часть трубчатого корпуса, вводят в свободную часть корпуса оптическое волокно и закрепляют его в трубчатом корпусе, при этом предварительно перед введением оптического волокна в корпус заряда на поверхности оптического волокна выполняют кольцевые канавки или лунки, или изгибают волокно под углом 30-90^o, на вершине изгиба формируют плоскую площадку путем удаления части оптического волокна ортогонально биссектрисе угла изгиба на глубину 0,05 < h < 0,15 и вершину изгиба вводят в корпус заряда. При соединении оптического волокна с трубчатым корпусом заряда дополнительно используют шайбу с центральным отверстием (на фигурах не показана), в котором размещают изгиб, оптическое волокно 16 закрепляют на шайбе затвердевающим веществом, а шайбу устанавливают на трубчатом корпусе, при этом может быть дополнительно использована шайба, в которой выполняют два отверстия под углом 30-90^o к ее продольной оси и симметрично относительно продольной оси, оптическое волокно пропускают сквозь отверстия, а шайбу устанавливают на трубчатом корпусе. Оптическое волокно закрепляют на шайбе затвердевающим веществом, которое размещают на обеих поверхностях шайбы, а затем удаляют часть оптического волокна на глубину совместно с частью затвердевающего вещества. Упомянутая выше шайба может быть установлена на трубчатом корпусе заряда посредством разъемного соединения, а трубчатый корпус выполняют совместно с дном и после заполнения его взрывчатым веществом его подсоединяют к шайбе. Шайба может быть установлена на трубчатом корпусе заряда неразъемно, а после введения оптического волокна и заполнения трубчатого корпуса взрывчатым веществом, устанавливают на корпусе дно.

Использование: изобретение представляет собой систему инициирования зарядов, относится к области горного дела, в частности может быть использовано для взрывных работ, как на дневной поверхности, так и при проходке тоннеля, шахт, а также при взрывных работах в скважинах. Сущность изобретения: предлагаемая система инициирования пространственно-разнесенных зарядов позволяет получить достаточный энергетический световой импульс от лазера для задействования группы зарядов, смонтированных на одном оптическом волокне в виде гирлянды, 3 с.п. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система инициирования пространственно-разнесенных взрываемых зарядов, содержащая лазер, заряды, оптическое волокно, которое выполнено связывающим заряды к выходом лазера, отличающаяся тем, что заряды установлены с возможностью их детонации посредством передаваемой оптической энергии от выхода лазера вдоль продольной оси оптического волокна, при этом оптическое волокно выполнено с зигзагами, имеет на поверхности кольцевые канавки или лунки, расположенные последовательно по длине оптического волокна, при этом каждый из зарядов связан с вершиной зигзага оптического волокна поверхностью кольцевой канавки или лунки с возможностью их детонации посредством отвода части оптической энергии и передачи остальной части оптической энергии к зарядам, расположенным вдоль оптического волокна. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что продольная ось оптического волокна в месте зигзага или лунки расположена под углом 30 90^o, а ортогонально на вершине зигзага на оптическом волокне выполнена плоская площадка, причем отношение площади S₁ плоской площадки к площади S₂ поперечного сечения световедущей жилы оптического волокна выбрано из условия
0,4 < S₁/S₂ < 1. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что вершина зигзага или лунки оптического волокна своим торцом связана с зарядом. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что концы оптического волокна выполнены свободными. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что введено устройство для контроля оптической энергии, связанное с концом оптического волокна. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что устройство для контроля оптической энергии выполнено в виде экрана, расположенного со стороны одного из концов оптического волокна. 7. Система инициирования пространственно-разнесенных взрываемых зарядов, содержащая лазер, заряды, оптическое волокно, которое выполнено связывающим заряды с выходом лазера, отличающаяся тем, что она снабжена пусковым устройством, включающим датчик давления, таймер времени, связанный через воспламенитель с лазером с возможностью запуска последнего при определенной величине давления, при этом заряды установлены с возможностью их детонации посредством передаваемой оптической энергии от выхода лазера вдоль продольной оси оптического волокна, которое выполнено с зигзагами, имеет на поверхности кольцевые канавки или лунки, последовательно расположенные по длине оптического волокна, причем каждый из зарядов связан с вершиной зигзага оптического волокна, поверхностью кольцевой канавки или лунки с возможностью их детонации посредством отвода части оптической энергии и передачи остальной части оптической энергии к зарядам, расположенным вдоль оптического волокна. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что продольная ось оптического волокна в месте зигзага или лунки расположена под углом 30 90^o, а ортогонально на вершине зигзага на оптическом волокне плоская площадка, причем отношение площади S₁ плоской площадки к площади S₂ диаметра световедущей жилы оптического волокна выбрано из условия
0,4 < S₁ / S₂ < 1. 9. Система по п.7, отличающаяся тем, что конец оптического волокна своим торцом связан с зарядом. 10. Система по п.7, отличающаяся тем, что конец оптического волокна выполнен свободным. 11. Система по п.7, отличающаяся тем, что лазер имеет пиротехнический состав для его накачки, а датчик давления выполнен механическим с перемещаемой от величины давления упругой мембраной, при этом воспламенитель выполнен в виде капсюля-воспламенителя, установленного с возможностью его воспламенения при перемещении мембраны и поджига пиротехнического состава лазера. 12. Система по п.7, отличающаяся тем, что таймер выполнен механическим с возможностью его запуска при перемещении мембраны и с возможностью поджига воспламенительного капсюля. 13. Система по пп.7 и 11 отличающаяся тем, что упругая мембрана датчика давления выполнена с возможностью регулирования величины ее перемещения посредством упругого элемента, связанного с ней. 14. Система по п.12, отличающаяся тем, что таймер выполнен в виде часового механизма с возможностью регулирования временной задержки. 15. Способ соединения оптического волокна с взрываемым зарядом, включающий наполнение взрывчатым веществом части трубчатого корпуса, введение в свободную часть трубчатого корпуса оптического волокна, закрепление его в трубчатом корпусе, отличающийся тем, что при введении оптического волокна в корпусе на нем делают кольцевые канавки или лунки или изгибают под углом 30
90^o, на вершине изгиба формируют плоскую площадку путем удаления части оптического волокна ортогонально биссектрисе угла изгиба на глубину 0,05 < h < 0,15 и вершину изгиба вводят в корпус. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что биссектрису угла изгиба оптического волокна располагают соосно продольной оси трубчатого корпуса. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что дополнительно используют шайбу с центральным отверстием, в котором размещают изгиб, оптическое волокно закрепляют на шайбе затвердевающим веществом, а шайбу устанавливают на трубчатом корпусе. 18. Способ по п. 16, отличающийся тем, что дополнительно используют шайбу, в которой выполняют два отверстия под углом 30 90^o к ее продольной оси и симметрично относительно продольной оси, оптическое волокно пропускают сквозь отверстия, а шайбу устанавливают на трубчатом корпусе. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что оптическое волокно закрепляют на шайбе затвердевающим веществом. 20. Способ по п.19, отличающийся тем, что затвердевающее вещество размещают на обеих поверхностях шайбы, а затем удаляют часть оптического волокна на глубину совместно с частью затвердевающего вещества. 21. Способ по пп.17 и 18, отличающийся тем, что шайбу устанавливают на трубчатом корпусе посредством разъемного соединения. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что трубчатый корпус выполняют совместно с дном и после заполнения трубчатого корпуса взрывчатым веществом его подсоединяют к шайбе. 23. Способ по пп.17 и 18, отличающийся тем, что шайбу выполняют на трубчатом корпусе неразъемно, а после введения оптического волокна и заполнения трубчатого корпуса взрывчатым веществом устанавливают на корпусе дно.